片上光学器件具有小型化、多功能、易集成等独特优势，在信息通讯、光学传感、增强光与物质相互作用等方面具有广泛应用，是未来微纳光学发展的重要方向之一。然而，如何实现片上器件光场的高效自由调控一直是领域的核心挑战。人们大多采用传统棱镜、布拉格衍射器件等片上光场调控器件，但却存在体积大、多模式、效率低等问题，特别是无法实现亚波长量级的精准光场控制，这极大限制了片上光场的调控能力。

近日，复旦大学信息科学与工程学院孙树林教授课题组与物理学系周磊教授团队合作，提出利用几何相位超构表面实现近场表面波在片上体系中自由调控的新机理，实现了表面波定向偏折、表面波聚焦、艾里表面波光束激发等效应，最高工作效率可达93%，该调控思想具有普适性，可以进一步拓展至近红外等高频段。2023年2月23日，相关研究成果以“Efficiently Controlling Near-Field Wavefronts via Designer Metasurfaces”为题发表在知名光学期刊ACS Photonics上，得到不同审稿人的高度评价：“The rationale and results are very interesting”、“The proposed idea and related applications are interesting to me”。

随着光学器件逐渐向微型化、片上化、集成化的方向发展，如何实现在亚波长尺度传输并调控光场成为领域的核心问题，表面波（包括表面等离激元模式等）为实现这一目标带来了希望。所谓表面波，就是一类被束缚在不同媒质界面上的电磁局域模式，具有亚波长、局域场增强等奇异特性，因而被广泛应用在超分辨成像、增强光与物质相互作用等领域。然而，如何自由调控片上光学体系中的表面波模式的传输一直是领域内研究的重点方向。

图1近场表面波光束的面内波前调控原理。（a）布拉格衍射器件调控原理。（b）超构表面调控原理。（c）近场波前调控效应。

早期，人们依靠设计二维布拉格衍射阵列实现表面波的面内传输调控。如图1（a）所示，当表面波入射到二维布拉格衍射阵列时，会受到其提供的倒格矢散射作用达到方向调控的目的，然而该过程会伴随不同阶面内散射模式的产生，造成效率上的损失。另外，这些散射模式波矢往往不能都恰好完美匹配片上系统中的本征表面波模式的传输波矢（即非完美波矢匹配效应），从而影响其调控表面波的效率。最近，该课题组提出了一种通过设计超构表面的相位梯度来调控表面波光束的波前分布的新思路，如图1（b）所示。通过精准设计每个位置处的人工原子对表面波的面内散射振幅和相位响应，可在两维面内实现任意的近场波前调控。

总结来说，该论文提出了一种基于超构表面调控表面波面内传输行为的新方法，具有完美波矢匹配、亚波长调控、高效率、单模式、易集成等优势。复旦大学信息学院为论文第一单位，复旦大学信息学院在读博士研究生潘威康和物理学系博士后王卓博士为共同第一作者，复旦大学信息学院孙树林教授和物理学系周磊教授为论文的通讯作者。该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海市科技创新行动项等基金的支持。

论文信息：Weikang Pan, Zhuo Wang, Yizhen Chen, Xiaoying Zheng, Shiqing Li, Xinzhang Tian, Qiong He, Lei Zhou*, Shulin Sun*，“Efficiently controlling near-field wavefronts via designer metasurfaces”，ACS Photonics DOI: 10.1021/acsphotonics.2c02009.

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsphotonics.2c02009