通过对映体Ω谐振器实现的自旋复用反射金属透镜

《Optics and Lasers in Engineering》：Spin-multiplexed reflective metalens via enantiomeric Ω resonators

设计了一种基于Au-SiO?-Au三层的反射式手性超表面，通过Ω形元及其镜像结构实现圆偏振光选择性转换与空间分离聚焦，消光比达0.78，偏振光聚焦效率超75%，并支持混合偏振输入下的双光束独立聚焦。结构兼具宽带性能和紧凑性，适用于光通信、加密及光子信息路由。

　　近年来，随着光通信和信息处理技术的迅速发展，对具有多功能性的光学元件需求日益增长。传统光学元件往往体积庞大，难以满足现代系统对小型化、集成化的要求。在这一背景下，超表面（metasurface）作为一种新型的光学平台，因其能够在纳米厚度的层中实现对光矢量属性（如相位、振幅和偏振）的亚波长级控制，而受到广泛关注。超表面不仅支持高密度集成，还能够实现多种关键功能，如光束转向、波长转换和偏振复用，为构建高吞吐量、可扩展的光子网络和偏振编码的光学系统提供了新的可能。

在众多超表面研究中，手性超表面（chiral metasurface）因其独特的偏振选择性光操控能力而备受瞩目。手性超表面能够实现对圆偏振光的高效调控，通过设计特定的几何结构和各向异性特性，使得其在偏振控制方面表现出色。这一特性使得手性超表面在光通信、信息加密和基于偏振的信息路由等领域具有广阔的应用前景。然而，大多数现有的手性超表面研究主要集中在透射模式下，其在实现同时高圆二色性（CD）、偏振选择性和多波前控制方面面临诸多挑战，特别是在紧凑、宽频兼容的设备中。

为了克服这一局限，本文提出了一种基于金-二氧化硅-金三明治结构的反射型手性超表面设计，并通过数值模拟验证了其性能。该设计采用了两个对映异构的Ω形谐振器，每个单元能够将一种圆偏振光转换为其相反的圆偏振态，同时对另一种圆偏振态进行强烈吸收。这种不对称的响应使得超表面表现出高达0.78的圆二色性。通过将这两种对映异构单元以40×40的交替排列方式组合，实现了具有偏振复用能力的金属透镜，能够将左旋和右旋圆偏振光聚焦至空间上分离的焦点，同时抑制不需要的背景噪声。

在宽频分析中，该超表面在中红外波段表现出稳定的衍射效率，其在左旋圆偏振（LCP）和右旋圆偏振（RCP）入射下的峰值效率分别达到76.4%和75.8%。此外，该超表面还支持在混合偏振输入下的双波束操作，能够同时产生清晰、无重叠的焦点。这一多功能平台不仅实现了偏振转换、相位工程和选择性吸收的统一，还保持了与光刻兼容的反射型结构，为构建偏振复用的成像系统、安全的光通信和可重构的光子逻辑提供了新的可能性。

在结构设计方面，该反射型手性超表面由一个40×40的亚波长单元阵列构成。每个单元由一个Ω形设计的亚波长谐振器（DOM）或其镜像对称的对应单元（MOM）组成，这些单元以棋盘式排列，以实现偏振分辨的功能。DOM单元能够将左旋圆偏振光转换为右旋圆偏振光，同时对右旋圆偏振光进行吸收；而MOM单元则执行相反的功能。通过这种对称和不对称的组合，超表面能够在反射模式下实现高效的偏振选择性波前控制和聚焦。

在实际应用中，该反射型手性超表面能够将左旋和右旋圆偏振光分别聚焦至不同的焦点位置，例如(-10 μm, 0)和(+10 μm, 0)。当左旋和右旋圆偏振光同时入射时，能够产生两个清晰、无重叠的焦点，这表明该超表面具有强大的偏振复用能力。这种双聚焦能力，结合偏振过滤，使得超表面能够有效地转化为基于偏振的光信息路由装置。通过入射偏振态来实现对光信息通道的定向和隔离，同时保持紧凑和易于制造的结构，为构建偏振复用的成像系统、安全的光通信和可重构的光子逻辑提供了新的思路。

从整体来看，该研究提出了一种新型的反射型手性超表面设计，通过集成偏振选择性吸收、偏振转换和波前调控功能，实现了高效的偏振复用能力。这一设计不仅克服了传统手性超表面在宽频兼容性和多波前控制方面的局限，还为未来光学系统的多功能集成提供了重要的技术基础。该超表面的结构设计和性能表现表明，它在实现高效率的光信息处理和传输方面具有巨大的潜力，特别是在需要高分辨率、高对比度和低背景噪声的应用场景中。

此外，该研究还强调了在实际应用中对超表面结构的优化和改进。通过合理设计和排列单元结构，能够有效提升超表面的性能表现，同时确保其在制造和集成过程中的可行性。这一研究不仅为光通信和信息处理领域提供了新的技术手段，也为未来光学系统的多功能集成和小型化发展奠定了坚实的基础。该超表面的结构设计和性能表现表明，它在实现高效率的光信息处理和传输方面具有巨大的潜力，特别是在需要高分辨率、高对比度和低背景噪声的应用场景中。

该研究还对相关的技术背景进行了深入分析，指出当前手性超表面在宽频兼容性和多波前控制方面的不足。通过引入反射型结构和优化单元设计，该研究成功实现了高效率的偏振复用能力，同时保持了结构的紧凑性和制造的可行性。这一突破不仅拓展了手性超表面的应用范围，还为未来光学系统的设计和开发提供了新的思路。该超表面的结构设计和性能表现表明，它在实现高效率的光信息处理和传输方面具有巨大的潜力，特别是在需要高分辨率、高对比度和低背景噪声的应用场景中。

在实际应用中，该反射型手性超表面不仅能够实现对圆偏振光的高效操控，还能够为构建偏振复用的成像系统、安全的光通信和可重构的光子逻辑提供重要的技术支持。通过合理设计和排列单元结构，能够有效提升超表面的性能表现，同时确保其在制造和集成过程中的可行性。这一研究不仅为光通信和信息处理领域提供了新的技术手段，也为未来光学系统的多功能集成和小型化发展奠定了坚实的基础。该超表面的结构设计和性能表现表明，它在实现高效率的光信息处理和传输方面具有巨大的潜力，特别是在需要高分辨率、高对比度和低背景噪声的应用场景中。

综上所述，本文提出了一种基于金-二氧化硅-金三明治结构的反射型手性超表面设计，通过集成偏振选择性吸收、偏振转换和波前调控功能，实现了高效的偏振复用能力。这一设计不仅克服了传统手性超表面在宽频兼容性和多波前控制方面的局限，还为未来光学系统的多功能集成和小型化发展提供了重要的技术支持。该超表面的结构设计和性能表现表明，它在实现高效率的光信息处理和传输方面具有巨大的潜力，特别是在需要高分辨率、高对比度和低背景噪声的应用场景中。