在國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目等資助下，同濟(jì)大學(xué)物理科學(xué)與工程學(xué)院程鑫彬教授和王占山教授團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合復(fù)旦大學(xué)物理系周磊教授團(tuán)隊(duì)在超表面高效操縱電磁波領(lǐng)域取得進(jìn)展，相關(guān)研究成果“光頻完美異常反射器件（Perfect anomalous reflectors at optical frequencies）”于3月2日發(fā)表于重要學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）。

近年來，超表面由于損耗低、可制備、易集成等特點(diǎn)而成為電磁波調(diào)控研究的新平臺(tái)。超表面已經(jīng)展示了豐富的光波調(diào)控能力，但調(diào)控效率低一直是光學(xué)超表面的瓶頸問題之一，這也成為制約光學(xué)超表面走向?qū)嵱没�甚至商業(yè)化的關(guān)鍵因素。

異常偏折是超表面調(diào)控光波最基本的方式之一，也是各種復(fù)雜電磁調(diào)控和應(yīng)用的基礎(chǔ)，如超透鏡、光譜儀、激光雷達(dá)等。目前光學(xué)超表面器件的異常偏折效率均低于90%，難以滿足其在激光領(lǐng)域應(yīng)用時(shí)效率優(yōu)于99%的需求，亟待突破異常偏折效率的科學(xué)認(rèn)識(shí)，創(chuàng)新調(diào)控方法，獲得光頻完美異常偏折器件。超表面異常偏折效率的科學(xué)認(rèn)識(shí)主要經(jīng)歷了兩個(gè)階段：早期研究利用相位梯度控制光束異常偏折的方向，但僅考慮相位梯度無法給出光束異常偏折的多少，導(dǎo)致難以實(shí)現(xiàn)效率接近100%的完美異常偏折；近期研究指出完美異常偏折需要相位和振幅的協(xié)同調(diào)控，特別是振幅調(diào)控需要在超表面不同區(qū)域同時(shí)實(shí)現(xiàn)增益和損耗，這對(duì)光頻超表面異常偏折的設(shè)計(jì)提出了全新的挑戰(zhàn)，尚無解決方案。

針對(duì)上述問題，研究團(tuán)隊(duì)從完美異常反射的物理要求出發(fā)，首先闡明了完美異常反射所需要的能流分布形式，提出了一維多層膜結(jié)合二維超表面的準(zhǔn)三維亞波長(zhǎng)新結(jié)構(gòu)，通過準(zhǔn)三維結(jié)構(gòu)內(nèi)傳輸波和布洛赫波的高效耦合，增強(qiáng)了多重散射并提高了非局域能流調(diào)控能力，在1550納米實(shí)現(xiàn)了國(guó)際上效率最高的、效率優(yōu)于99%的光頻異常反射。

該研究工作以光學(xué)超表面實(shí)用化的需求為導(dǎo)向，解決了“效率低”這個(gè)限制其走向應(yīng)用的“卡脖子”問題，有望推動(dòng)基于光學(xué)超表面的微型光譜儀、輕薄激光雷達(dá)等儀器裝備的跨越式發(fā)展。

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