原标题：同济大学程鑫彬/王占山LPR：高效率高分辨率琼斯矩阵六通道解耦调控

　　创新点：同济大学精密光学工程技术研究所程鑫彬和王占山团队提出一种基于双原子超表面实现琼斯矩阵六通道解耦调控的有效方法，通过设计两个高透射率纳米柱的几何尺寸和旋转角，进而精确调节出射光场的干涉效应，可对琼斯矩阵中三个偏振分量的复振幅实现独立、高效率、高分辨率的联合调制。

　　关键词：Laser & Photonics Reviews, 双原子超表面，琼斯矩阵平面旋转矩阵，同济大学精密光学工程技术研究所

　　相位、振幅轴承寿命、偏振是单色光场的三个基本自由度。光学器件对单色光场的调控作用可以用一个2×2的琼斯矩阵来表示，琼斯矩阵的每个分量均代表特定偏振态组合的传输系数，由振幅通道和相位通道组成。琼斯矩阵的可控通道数目的多少，不仅标志着光学器件对电磁波的调控能力的强弱，也限制着最终可实现的光学功能的复杂程度。

　　超表面是一种由人工亚波长微结构按特定方式排列而成的二维光学器件，因其能够在亚波长尺度下任意定制电磁波的相位、振幅、偏振等特性，且天然具备平面化、易集成的特点，在琼斯矩阵操纵上有着巨大的潜在优势；然而如何在兼顾光学效率与空间分辨率的前提下同时控制尽可能多的琼斯矩阵通道，是超表面领域当前面临的重要瓶颈之一。如图1所示，早期工作致力于尽可能提升可控通道数目；近期有研究通过设计四个相同纳米柱的空间坐标和旋转角，首次实现了六通道调控，达到了二维光学器件操纵琼斯矩阵的理论能力上限。然而，这种基于空间位置的迂回相位机制只能作用于高级次衍射光，不仅光学效率大大降低，超表面单元的空间分辨率也受到波长的理论限制。

　　图1. 现有工作的琼斯矩阵可控通道数目、超表面空间分辨率、单元结构数目对比

　　鉴于此，同济大学精密光学工程技术研究所程鑫彬和王占山团队联合香港城市大学电机工程系蔡定平教授，提出了一种基于双原子构型的高效率高分辨率琼斯矩阵六通道解耦调控新机制。通过设计两个高透射率纳米柱的几何尺寸和旋转角，可以控制两个纳米柱出射光场的偏振相关干涉效应，进而可以实现三个振幅通道分别覆盖0~1和三个相位通道分别覆盖0-2π的完全解耦调控。该方法的理论空间分辨率不受限制，且因其可作用于零级次衍射光，超表面器件的光学效率也得到了有效提高。论文演示了532 nm单波长下三幅近场纳米打印+三幅远场全息图的六通道集成（如图2所示），实验表征与理论结果吻合良好。

　　此外，由于所提出的双原子构型中两个纳米柱在正方形像素内对角放置，将两个分别针对不同波长设计的双原子体系进行交错复用，可以在不改变空间分辨率的同时，将单波长六通道的琼斯矩阵调制推广到双波长十二通道的波长-偏振联合调制套筒。论文进一步演示了450 nm和532 nm双波长下六幅近场纳米打印+六幅远场全息图的十二通道集成，证明了该创新理念向多色光场推广的可行性。

　　该工作解决了现存的琼斯矩阵六通道解耦调控方法中光学效率低滤网、空间分辨率受限的瓶颈，在超高密度光学编码和超紧凑的光场多维度联合调制中具备优秀潜力。相关论文以“Diatomic metasurface for efficient six-channel modulation of Jones matrix”为题发表在Laser & Photonics Reviews期刊。同济大学博士后何涛，同济大学王占山教授，香港城市大学蔡定平教授，同济大学程鑫彬教授为论文共同通讯作者，同济大学博士研究生冯超，同济大学博士后何涛为论文的共同一作，对论文具有突出贡献的合作者还包括同济大学施宇智特聘研究员，清华大学深圳国际研究生院宋清华助理教授，同济大学博士后朱静远，同济大学博士研究生张健等。

　　Laser & Photonics Reviews是一份双月刊同行评审科学期刊，涵盖光学科学各个方面的研究，由Wiley-VCH出版，包含综述、论文、快讯文章等内容，2021年影响因子13.138。