超表面在偏振多功能光学系统和装置中具有重要应用潜力，能够在亚波长尺度下实现多种先进的光学功能，例如自旋复用、光学波片、矢量全息、庞加莱光束等。这些功能要求超表面对光场的偏振态、振幅和相位实现同时编码。要实现这一关键光学特性，最有效的方法是精确排列一系列线性双折射单元（linearly birefringent element, LBE）——这类单元能对正交线偏振光产生不同的相位响应。理想的LBE需满足以下条件：对正交线偏振光具有尽可能高的透射率、最大的相位覆盖范围，以及尽可能高的解耦程度。

早期的LBE通过金属天线、液晶或介质亚波长光栅实现。然而，这些结构在光学效率或相位覆盖范围方面均存在局限性。近年来，具有椭圆形或矩形横截面的高折射率截断波导型介质纳米柱，成为了一种极具潜力的替代方案。这种方案中LBE的x/y线偏振相位响应取决于TM/TE波导模式的传播常数，但构型的局限性导致二者随着任一几何参数的改变而同步变化，解耦程度低。此外，相邻波导之间的近场耦合还会进一步降低光学效率。尽管具有额外几何参数的LBE（例如十字形、L形、Z形、T形以及自由形状的纳米柱等）以及先进的优化技术能够在一定程度上缓解这些问题，但物理机制层面的局限性并未真正被打破。

为了构建理想的LBE，同济大学物理科学与工程学院程鑫彬教授和王占山教授联合中国计量科学研究院的蒋志远副研究员提出了一种基于定向微扰超构表面的正交线偏振相位完全解耦新机制。相关研究成果以“Directional Perturbation-Driven Independent Control of Orthogonally Polarized Phases in Metasurfaces”为题发表于《纳米快报》（Nano Letters），并入选期刊封面（Supplementary Journal Cover）。

受到邻近介质波导模式耦合的偏振选择特性的启发，采用两个相邻的波导型介质纳米柱构建LBE，其中次波导作为微扰，选择性地影响主波导的模式场分布。这种定向的微扰能够通过改变单一几何参数单独调控主波导短轴偏振方向的相位响应，而长轴偏振方向的相位响应保持完全不变。该方法能够在产生任意线性双折射的同时对波前实现自由编码。此外，显著提高的光场局域能力能够有效减弱相邻超表面单元之间的近场耦合，从而提高超表面器件的光学效率。

图1、定向微扰超表面。(a)介质平板波导在施加微扰前后的TM和TE模式振幅分布。其中β代表模式传播常数，光沿z轴传播，波导沿y轴无限延伸。(b)定向微扰LBE的示意图。(c)利用定向微扰LBE对正交线偏振相位实现解耦调控。

基于所提出的创新理念，论文依次演示了全庞加莱球波片、异常偏折四分之一波片，以及偏振敏感的离轴柱透镜。以异常偏折四分之一波片为例，在衍射效率和偏振转换效率方面，定向微扰超表面（88%和91%）相比传统矩形介质纳米柱超表面（74%和62%）均有显著提高。实验表征结果与理论预测结果吻合良好。

图2、基于定向微扰超表面实现的光学功能演示。(a)全庞加莱球波片。(b)异常偏折四分之一波片。(c)偏振敏感离轴柱透镜。

该工作提出了实现正交偏振相位解耦调控的创新方法，解决了现存方法中解耦程度差、光学效率低的性能瓶颈，理论上能够应用于所有具有偏振调控功能的超表面器件，在紧凑化、高性能的偏振光学系统和装置中具备优秀的应用潜力。

同济大学何涛助理教授、中国计量科学研究院蒋志远副研究员和同济大学程鑫彬教授为论文共同通讯作者，同济大学博士后冯超、同济大学何涛助理教授为论文共同第一作者。对论文具有突出贡献的合作者还包括朱静远助理教授、董思禹助理教授、魏泽勇副教授、施宇智教授、王占山教授等。

论文链接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.5c03429