基于非厄米超表面的异常点实现折射率传感与全息成像复用

《Optics and Lasers in Engineering》：Refractive index sensing and holographic imaging multiplexing based on exceptional point in non-Hermitian metasurface

提出基于异常点的非厄米特超表面多功能集成设计，通过添加Pancharatnam-Berry相位实现单结构三通道全息成像与高性能折射率传感，验证了异常点工程在多功能超表面设计中的有效性。

　　

王星宇|李超群|郑金杰|徐丹阳|高凡

浙江工业大学物理学院，中国杭州310023

摘要

由于具有独特的光操控能力，超表面为光复用提供了一个新的平台；而非厄米现象则通过控制增益和损耗，使得光学性质和响应更加灵活。目前，关于异常点（EPs）处的手性超表面的研究已经相当成熟；然而，这些超表面在应用中通常仅以单一功能的形式出现，这无疑是一种资源浪费。研究发现，通过在设计的单元格中加入合理的Pancharatnam-Berry（PB）相位，可以在不改变波长的情况下保持EP效应。基于此，提出了一种在EP处工作的具有双重功能的空间复用超表面。具体而言，该超表面在不同通道中表现出高性能的传感和全息功能。因此，这项工作不仅实现了通道数量的扩展和功能集成，还为基于EP的非厄米超表面提供了新的设计原理，展示了其巨大的应用潜力。值得注意的是，这项研究完全基于数值模拟，验证了所提出的设计概念。

引言

根据经典波动理论，入射角等于反射角，其值取决于两种介质的折射率差异[1]。超表面的存在基于这些物理定律，并在某种程度上对其进行了补充（例如，广义斯涅尔定律），使得光能够以可控的方式被重新定向以实现反射或折射[2,3]。此外，由于超表面具有亚波长尺度的波前采样和极深的亚波长厚度，它展现出显著的特性，能够在超紧凑的体积内实现对振幅、相位和偏振的完全控制[4]。特别是，对几何相位的控制允许在0到2π的范围内局部调整相位，从而实现所需的振幅均匀性。此外，不同类型的超表面对不同偏振状态的光波表现出不同的响应，进一步增强了设计灵活性和功能复用的潜力[5]。

非厄米系统的异常点（EPs）可以引入许多违反直觉的现象[6,7]。在数学中，EP是一个特征值和特征向量合并的分支点。在光学系统中，EPs与许多引人入胜的理论和应用相关联，如损耗诱导的透明性[8,9]、非对称传输[10,11,12]、单向非互易性[13,14]，以及在单模激光[15]和增强型传感技术[16,17,18]中的潜在应用。目前，在非厄米超表面领域已经取得了显著的研究进展。然而，大多数现有研究仍然专注于实现单一功能，这使得满足多样化和高度集成的应用需求变得具有挑战性[19,20,21,22]。因此，研究人员越来越关注非厄米超表面的多功能设计[23]，旨在通过这些新型表面实现光场的多维控制[24]。这不仅可以提高操控光的能力，还有可能在光通信[25]、传感和成像[26,27,28,29,30]等领域带来重大突破。另一方面，多功能超表面通常是通过堆叠或交错多个子表面来实现的，这本质上结合了各种单一功能设备。因此，不同功能之间的串扰是不可避免的。然而，非厄米EP效应的零反射特性为这一问题提供了一个有希望的解决方案[31]。

在本文中，提出了一种基于EP效应的多功能非厄米超表面，能够在单个超表面上实现全息成像和高性能折射率传感。通过优化设计中的相位分布，我们成功地在三个不同偏振状态的独立通道下生成了全息图。此外，同一设备上还实现了EP处的高性能折射率传感，为非厄米超表面的复用提供了新的设计概念和方法。

讨论

如图1(a)所示，该超表面是一个具有三个通道的光学表面，可以响应不同偏振状态的光。具体来说，通道1是整个表面，而通道2和通道3是通过沿Y轴将超表面二等分得到的。从示意图中可以看出，该超表面由“LI”型单元格及其旋转配置组成。在通道1中，可以观察到一个反射性的六边形全息图像

总结

总之，本研究提出了一种基于EP的非厄米超表面多功能设计策略。通过“LI”型结构和EP增强的耦合，我们实现了一个具有验证性能的双模传感和三通道全息复用平台。这不仅验证了多通道全息的可行性，更重要的是，通过异常点工程建立了一种功能复用范式。展望未来，有两个有前景的方向

资助

本研究得到了浙江省自然科学基金（项目编号LY22A040003和LZ24D050002）和国家自然科学基金（NSFC）（项目编号12,104,402）的支持。

CRediT作者贡献声明

王星宇：撰写 – 原始草稿，形式分析，数据管理，概念构思。李超群：方法论，数据管理。郑金杰：软件，形式分析。徐丹阳：监督。高凡：撰写 – 审稿与编辑，资金获取，概念构思。

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：高凡报告称获得了浙江省自然科学基金的支持。邓娟报告称获得了国家自然科学基金的支持。如果有其他作者，他们声明没有已知的可能会影响工作的财务利益或个人关系。