近日，南京大學(xué)物理學(xué)院賴耘教授、彭茹雯教授和王牧教授合作團(tuán)隊，利用新型超表面實(shí)現(xiàn)了全可見光波段的極端不對稱光散射，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了一種融合了高透明性與啞光特征的宏觀光學(xué)材料，其可以在保持完美透明性的同時，展現(xiàn)出如粗糙物體表面一般的啞光外貌。這類新型光學(xué)材料在隱形、成像和顯示等領(lǐng)域可能具有廣泛的應(yīng)用前景，有望切實(shí)改善人們?nèi)粘Ｉ�活中的視覺體驗(yàn)。

在傳統(tǒng)光學(xué)中，一個歷史悠久的難題是透明性與啞光外貌之間的矛盾。例如，透明玻璃是整個光學(xué)的材料基礎(chǔ)，在現(xiàn)代社會中擁有廣泛的應(yīng)用。然而，其光滑表面也導(dǎo)致了鏡面倒影和眩光污染等不良影響。另一方面，具有粗糙表面或無序組分的常見物體，如墻、木頭、紙等，通常都具有啞光的外貌。漫散射消除了倒影和眩光，但是也導(dǎo)致其透明程度大幅下降。近年來，可獨(dú)立調(diào)控透射與反射的超表面的發(fā)展，為解決這個經(jīng)典光學(xué)難題提供了一個契機(jī)。2021年，南京大學(xué)賴耘教授、彭茹雯教授和王牧教授合作團(tuán)隊提出了一種無序翻轉(zhuǎn)超構(gòu)表面，成功地將漫反射與透射清晰成像的功能完美融合（Science Advances 7, eabj0935 (2021)）。然而，該超表面的漫反射能力是隨頻率變化的，只在690納米附近接近完美，而在400-500納米的區(qū)間幾乎失效，即不能覆蓋整個可見光頻段。此外，該超表面的最小特征尺寸約為100納米，因此難以加工出宏觀尺寸的樣品。這些缺點(diǎn)極大地限制了實(shí)際應(yīng)用。

2024年，該團(tuán)隊在原有的工作基礎(chǔ)上開拓創(chuàng)新，首次基于成熟的工業(yè)級步進(jìn)式光刻技術(shù)，首次在玻璃表面加工了在全可見光頻段具有完美漫反射功能和高度透明性的宏觀尺寸超表面（直徑為10厘米）(Science Advances 10, eadm8061 (2024))。這種超表面被稱為：透明啞光表面（transparent matte surfaces）。具有這種表面的透明材料在透射上具有極高的透明清晰程度，類似于透明玻璃；而在反射上則具有類似粗糙物體的啞光外貌。

要融合漫反射與透明，關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)極端不對稱的光散射。不對稱光散射可以通過將兩種反射相位差接近π，而透射相位差接近0的超原子無序排列，組成無序超表面來實(shí)現(xiàn)。在之前的工作中，我們通過互易性定理與空間反演對稱性保證了在整個可見光頻段內(nèi)透射相位差為0。但是，要在整個光學(xué)頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)反射相位差為π依然是一個重大的挑戰(zhàn)。在此工作中，我們采用了一種出乎意料的簡潔方法，實(shí)現(xiàn)了寬頻反射相位差為π的功能。通過在無序翻轉(zhuǎn)的金屬片結(jié)構(gòu)上方覆蓋一薄層電介質(zhì)，由于介質(zhì)表面與金屬片的反射波之間的干涉，剛好消除了金屬片反射相位差的頻率色散，最終在全可見光波段實(shí)現(xiàn)了π的反射相位差。實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果表明：這種設(shè)計能在整個可見光波段將原本金屬片的鏡面反射率降低幾十倍至~1%，甚至低于普通玻璃的鏡面反射率（~4%）。此外，由于金屬片單元的橫向尺寸為900納米，因此可以采用工業(yè)級步進(jìn)式光刻技術(shù)制備宏觀樣品。

圖1. 基于透明啞光表面的偽裝窗戶