中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所與澳大利亞新南威爾士大學(xué)教授Andrey E. Miroshnichenko團(tuán)隊(duì)合作，利用超表面對(duì)中波紅外光子偏振、相位和色散等維度的獨(dú)特操控能力，提出了一種可用于中波紅外偏振探測(cè)集成的高效多功能偏振-色散調(diào)制超構(gòu)光子器件(如圖1)，相關(guān)成果于9月12日以Mid-Infrared Polarization-Controlled Broadband Achromatic Metadevice為題在線發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）上。

圖1.（A）多功能硅基超構(gòu)表面的偏振調(diào)控寬帶消色差聚焦渦旋光束產(chǎn)生示意圖。(B)不同偏振態(tài)下光斑中心橫向位移隨波長(zhǎng)的變化曲線。(C)不同波長(zhǎng)下測(cè)量的偏振消光比。(D)不同波長(zhǎng)下聚焦光斑的半高寬和理論極限。 

透鏡是最簡(jiǎn)單、最常見的光學(xué)元件，不論是在日常生活中的拍照手機(jī)、專業(yè)攝影的數(shù)碼相機(jī)，抑或是用于觀測(cè)宇宙起源、天體運(yùn)行規(guī)律的天文望遠(yuǎn)鏡，無一例外都需要借助透鏡來實(shí)現(xiàn)其精密而復(fù)雜的功能。傳統(tǒng)的光學(xué)元件幾乎都是通過機(jī)械研磨拋光來實(shí)現(xiàn)特殊的曲面構(gòu)型，其存在體積和重量大、光子調(diào)控維度單一、難于集成等問題，其發(fā)展在航空航天等對(duì)體積、重量更為敏感的領(lǐng)域受到嚴(yán)重制約。偏振探測(cè)是在傳統(tǒng)強(qiáng)度成像的基礎(chǔ)上通過提取特定偏振信息來抑制背景噪聲，對(duì)偽裝或虛假目標(biāo)的探測(cè)與識(shí)別具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)的偏振探測(cè)系統(tǒng)是通過振幅分割、時(shí)間分割或者像素分割等方式利用分立式的偏振片、棱鏡和透鏡級(jí)聯(lián)的方法來進(jìn)行偏振信息的獲取。這樣的光學(xué)系統(tǒng)通常體積和重量較大，同時(shí)不具備消色差功能，對(duì)寬波段偏振光電集成探測(cè)系統(tǒng)造成了限制。因此，發(fā)展應(yīng)用于紅外寬波段的小型化、可集成的偏振-色散調(diào)制光學(xué)器件變得愈發(fā)迫切。超表面器件具有更輕薄、更緊湊的平面空間構(gòu)型，更重要的是它可以在亞波長(zhǎng)尺度對(duì)光子多個(gè)維度進(jìn)行選擇性的操控，這給人們?cè)诰哂兄匾獞?yīng)用背景的大氣窗口-中波紅外波段研究提供了機(jī)遇。

本研究通過與硅基集成電路兼容的曝光和刻蝕工藝制作出一個(gè)比紙還要薄的“3D眼鏡”，可對(duì)不同偏振態(tài)和不同顏色的光線進(jìn)行聚焦、偏折、色散操作，性能和傳統(tǒng)的由一系列級(jí)聯(lián)透鏡、棱鏡、偏振片制作而成的光學(xué)系統(tǒng)相當(dāng)。如圖A所示，在連續(xù)的設(shè)計(jì)帶寬內(nèi)，不同偏振態(tài)的光子經(jīng)過超表面器件調(diào)制后將攜帶不同的軌道角動(dòng)量信息，并被收集到設(shè)定的焦平面上。另外，通過在超表面器件的調(diào)制偏振-相位色散譜中引入離軸相位因子，對(duì)寬帶光束實(shí)現(xiàn)了無色撒的定向聚束調(diào)控。由于偏振態(tài)的聯(lián)合操控，在連續(xù)帶寬內(nèi)不同偏振態(tài)的入射光子也以高的偏振隔離度被收集匯聚到焦平面的不同設(shè)計(jì)區(qū)域（圖1B）。結(jié)果表明，聚焦光斑具有接近衍射極限的尺寸和高偏振選擇比（圖1C, D）。該研究成果有望在寬譜偏振成像、自由空間量子通信、機(jī)器視覺以及信息加密等領(lǐng)域得到應(yīng)用。

上海技物所副研究員李冠海、研究員陳效雙和Andrey E. Miroshnichenko為文章共同通訊作者。該研究得到了科學(xué)技術(shù)部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃量子調(diào)控和量子信息專項(xiàng)、國家自然科學(xué)基金委、上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)、中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)和上海技物所創(chuàng)新計(jì)劃等項(xiàng)目的支持。