光學超表面是一種亞波長量級的納米結構（超原子）陣列。通過操控入射光與超原子之間的相互作用，光學超表面能夠在空間上精確地調控入射光的波前。與其他傳統(tǒng)光學器件相比，光學超表面具有輕量化和易于集成等優(yōu)勢，因此在光學傳感、全息顯示以及光學成像等領域得到了廣泛的應用。

一般而言，通過設計超表面中每個超原子的局域光學響應，構建空間相位梯度超表面，可以對光的波前進行調控。然而，這樣的局域光學響應往往會導致較低的光譜分辨率。近年來，光子晶體結構中的導模諧振展現(xiàn)出了較高的品質因子和優(yōu)異的光譜分辨率，為空間和光譜兩個維度上的高分辨率波前調控提供了有效的解決方案。然而，導模諧振由于依賴于眾多相鄰的超原子在空間上的集體響應，因此會產(chǎn)生強烈的鄰近耦合效應。這種鄰近耦合效應會引發(fā)波前調控效率的降低，并導致波前變形，極大地限制了導模諧振相位梯度超表面在復雜波前調控（如結構光）方面的應用。

針對上述問題，中國科學院蘇州納米所張興旺團隊通過打破超原子的面內對稱性，在超表面中引入雙折射導模諧振（圖1a）。這樣的雙折射導模諧振能夠共振增強（共振減?。┏娱L軸（短軸）的有效折射率（圖1c），產(chǎn)生顯著的相位延遲（圖1b），從而能夠實現(xiàn)具有較高光譜分辨率的交叉偏振轉換（圖1d）。在此基礎上，利用幾何相位原理可以實現(xiàn)對入射光相位調控的全2π相位覆蓋（圖1f）。同時，這種雙折射導模諧振不但實現(xiàn)了有效的交叉偏振轉換，而且增強了鄰近耦合效應的魯棒性（圖1e）。因此，憑借其高效的交叉偏振轉換和良好的魯棒性，雙折射導模諧振相位梯度超表面在實驗上實現(xiàn)了光束異常偏折、超透鏡和渦旋光束的產(chǎn)生（圖2）。

圖1. 雙折射導模諧振相位梯度超表面的工作原理

圖2. 基于雙折射導模諧振相位梯度超表面的波前調控示意圖

該工作以Resonant 2D Wavefront Manipulation via Birefringent?Guided-Mode Resonances in Dielectric Phase Gradient?Metasurfaces為題發(fā)表在Laser & Photonics Reviews上。中國科學院蘇州納米所博士研究生廖銀昌和博士后夏夢為論文的共同第一作者，張興旺研究員為論文通訊作者，該研究獲得了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金等項目的支持，同時也得到了中國科學院蘇州納米所納米真空互聯(lián)實驗站（Nano-X）、納米加工平臺的支持。