近日，暨南大學納米光子學研究院教授李寶軍、包燕軍等研究人員實現了自然界結構對光場的最普適以及最高自由度的調控。相關研究發表于Nature Communications。

超構表面是一種能在亞波長厚度范圍內對光場的偏振、振幅、相位進行靈活調控的人工設計的新型結構，被廣泛用于各種微納結構功能器件中，實現諸如全息成像、平面透鏡、信息加密等功能。超構表面概念自2011年被提出后，已有約五萬篇相關文章發表，包括了各種各樣的光場調控功能和器件。這些光場調控看似功能迥異、各有不同，但在數學上都可以用一個2×2的瓊斯矩陣統一描述，這些不同的功能器件都可歸納于不同自由度瓊斯矩陣的調控。

瓊斯矩陣通常用于描述光學器件對光的偏振、振幅、相位的調控能力，共包含8個參數自由度。能調控的自由度越多，意味著對光場的調控能力越強，實現的功能也越豐富。對于單層結構，由于平面結構的對稱性，其自由度最多只能達到6個。在前期的工作中（Sci. Adv. 2021, 7, eabh0365），李寶軍團隊突破傳統超構表面設計方法限制，實現了6個自由度上限的單層超構表面的瓊斯矩陣光場調控。

具有8個參數自由度的瓊斯矩陣和先進光場調控的應用示例

具有8個參數自由度的瓊斯矩陣設計和測量結果

在該項工作中，李寶軍團隊基于雙層超構表面結構，結合梯度下降算法和巧妙的結構設計，實現了自然界中結構所能達到的最大8個自由度的光場調控，并且給出傳統設計方法所不能實現的光場調控功能，諸如：實現了對任意兩種偏振態（可非正交）振幅和相位的獨立調控；引入雙層結構之間旋轉自由度，與4種入射及探測偏振態相結合，實現了高達16種的獨立全息圖像。

基于瓊斯矩陣和8個參數自由度的任意兩種偏振態集的獨立振幅和相位控制的實驗演示

該項工作的重要意義在于首次實現了自然界結構對光場的最普適以及最高自由度的調控，從而為自然界所允許的任意復雜光學功能的實現奠定了很好的基礎。

上述研究得到了國家自然科學基金面上項目、國家自然科學基金重大研究計劃培育項目、廣東省杰出青年基金等項目的資助。

論文信息：
https://www.nature.com/articles/s41467-022-35313-2

審核編輯 ：李倩