论文标题：A Metasurface Beam Combiner Based on the Control of Angular Response（基于角度响应调控的超表面合束器）

期刊：Photonics

作者：Zhihao Liu et al.

发表时间：2 November 2021

DOI：10.3390/photonics8110489

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期刊链接：

https://www.mdpi.com/journal/photonics

通讯作者介绍

傅晓 博士

中山大学

研究方向：光电器件、超构表面、半导体材料纳米结构制备

中山大学李俊韬教授团队的博士后研究员；先后获得澳大利亚新南威尔士大学光伏与太阳能工程专业学士学位和澳大利亚国立大学钙钛矿太阳能电池领域工程博士学位。

引言

“波前合束器”是一种广泛应用于各类光学系统的基本元件。根据光束的波长、偏振特性选择匹配的合束器，可以实现不同光束在空间上的重叠。来自中山大学的李俊韬教授及其团队在Photonics期刊发表了文章，提出了“基于操控超表面角度响应实现的超表面合束器”。该设计在不改变光束波长和偏振特性的前提下，将两束性质完全相同的入射光进行合束，或将一束沿相反方向入射的光按一定强度比例分成两束 (图1)。这有效的解决了传统合束器角度固定、体积较大等问题，具有较高的实际应用价值。

图1. 合束器工作示意图

研究过程与结果

超表面单元结构可以表现出随光场入射角度变化的响应特性，因此，使同一个超表面结构对不同角度的入射光表现出特定的相位响应，就可实现将不同的入射光束进行合束。实验团队采用了“双十字”作为超表面的单元结构 (图2 (a))。相比单十字 (图2(b)) 和矩形 (图2 (c)) 结构，该结构的优势在于光场能量会在双十字间的空隙区域发生耦合，使得整个单元结构更容易表现出随入射角度变化的响应特性 (图2 (d)(e))。通过改变图2 (a) 中所示的几何尺寸，得到不同双十字单元结构随角度变化的响应特性曲线，然后优化筛选出如图3所示的四个双十字单元结构组成一个周期。每个双十字结构在两种入射角度下都具有不同的相位响应，从而形成两种相位梯度，让不同角度的入射波矢以相同的角度出射。

图2. 不同单元结构的响应特性比较：(a) 双十字结构；(b) 单十字结构；(c) 矩形结构；(d) 三种结构随角度变化的的相位响应；(e) 三种结构随角度变化的透射率响应。

图3. 合束器的工作原理：(a) θi1角入射光的传播情况；(b) θi2角入射光的传播情况。

为了验证设计的可行性，作者使用Lumerical FDTD软件对上述的超表面结构进行了模拟。透射光的远场强度分布如图4所示。在 (a)(b) 中，以-3.7°和15°入射的光经过超表面结构后均以22.2°的方向出射，两个角度的偏折效率分别为44.13%和40.67%；在 (c) 中，以22.2°反向入射的光被分成了-15°和3.7°出射的两束光，效率为88.1%，分光比为1:1.14。

图4. 三种入射条件下的远场光强模拟结果：(a) -3.7°入射光；(b) 15°入射光；(c) 22.2°入射光。(a)(b)代表合束，(c)代表分束。

研究总结

本文提出了一种通过操控超表面结构的角度响应来设计超表面合束器的方法。在波长、偏振相同的入射条件下，同一超表面结构对不同角度入射光表现出不同的相位响应，从而实现合束。作者在文中详细探讨了单元结构的选择、结构排布的优化等设计步骤，最后通过模拟验证了该设计用于双光束合束/分束的可行性。其合束效率为42.4%，分束效率为88.1%。该设计具有较高的灵活性，可以根据实际需要，设置任意的入射和出射角度。理论效率还可以在本文的基础上进一步优化。同时，该设计满足工艺上的制备条件，可以为当前集成化、小型化的智能光学检测系统提供更多的选择。

Photonics期刊介绍

主编：Nelson Tansu, The University of Adelaide, Australia

期刊出版光学和光子学相关的基础理论和应用方面的学术文章，涵盖量子光学、微纳光学、光电子学、光谱学、集成光学、生物医学光子学、光子功能材料、激光器与激光光学、光纤光学与光通信、光传感、经典光学等方向。

2020 Impact Factor：2.676

2020 CiteScore：3.5

Time to First Decision：14.7 Days

Time to Publication：35 Days