超构表面，这类由平面型人工原子按特定宏观排列方式构建而成的准二维材料，因其对电磁波的强大调控能力，实现了诸多奇异电磁波（光）操控现象和性能卓越的平面光学器件，引起了学界和工业界的广泛关注。然而，超构表面的角度色散，即体系电磁响应强烈依赖于入射角度，这一基本特性往往被忽略。因此，如何理解超构表面中角度色散的物理根源，实现对角度色散的自由调控以满足不同应用场景的需求，已成为制约超构表面发展的重要瓶颈之一。

针对这一重大挑战，复旦大学周磊教授团队结合理论和实验，建立了一套完整的理论体系，揭示了超构表面的角度色散是由构成超构表面体系的人工原子的远场辐射特性和人工原子间的耦合作用共同决定的，并进一步提出了通过有效控制超构表面的角度色散，设计满足不同应用需求的入射角度依赖或不依赖的功能性器件的新方法（见图1）。

该研究成果为超构表面调控电磁波打开了“入射角度”这一全新的调控自由度，极大拓展了其对电磁波的调控能力，为实现多功能集成器件打开了新的思路。该成果以《自由调控光频超构表面的角度色散》为题(“Controlling angular dispersion in metasurfaces”）发表在《光:科学与应用》期刊上 （Light: Science & Applications 9,76（2020））。 本系博士生张惜月、李琦和博士后刘飞飞为本文共同第一作者，何琼副教授和周磊教授为本位共同通讯作者。

图1. 基于超构表面构建的角度依赖多功能调控器件

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研究背景

光（电磁波）是一种重要的能量和信息载体，因此实现对电磁波（光）的自由调控，不仅极具基础科学意义，而且可在通讯、能源和国防等领域获得重要应用。

然而自然材料的电磁参数变化范围有限，对电磁波的调控能力受限。为此，人们提出了超构材料的概念：这是一种由亚波长人工微结构（“人工原子”）按特定“排列方式”组成的人工复合材料。

由于超构材料的人工原子和宏观排列方式均可任意设计，其具有远比自然材料强大的电磁波调控能力，引发极大关注。

然而，基于三维金属结构构建的超构材料不可避免地存在着损耗高、加工困难、不易集成等问题，这极大制约了超构材料的发展及应用。

近年来，超构表面，这类由平面型“人工原子”按特定非均匀排列方式构建而成的准二维材料，具有体系超薄、调控自由度大、损耗低、可共形制备、易集成等独特优势，实现一系列奇异电磁波（光）操控现象和功能强大的平面光学器件。

因此，超构表面研究也成为了微纳光子学和超构材料研究领域的研究热点。

尽管超构表面在调控电磁波方面取得了众多成果，但多数超构表面器件都是针对正入射条件设计，而忽略了超构表面光学响随入射角改变而发生剧烈变化的基本物理特性，即角度色散效应（见图2）。

究其根本是人们并未完全了解角度色散行为的物理根源，从而无法实现对角度色散的主动调控，以满足不同实际应用场景的需求。

虽然人们利用超构表面也实现了一些大入射角度不依赖和角度依赖多功能器件，但大都是仅依靠全波模拟设计，缺乏普适性的设计理念。

因此，超构表面的角度色散行为一定程度上制约了其应用的进一步推广。

图2 电磁超构表面的角度色散现象：不同入射角度，体系的共振频率发生偏移

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创新研究

3.1超构表面角度色散的物理根源

本文从金属-介质-金属型（MIM）三明治型超构表面吸收器的共振频率随入射角明显偏移这一实验事实出发，利用紧束缚理论和耦合模理论，成功揭示了超构表面中角度色散的物理根源：人工原子之间的近场耦合特性决定了体系共振频率随入射角度的偏移，而人工原子的远场辐射特性决定了体系谱线线形随入射角的变化。

基于上述对角度色散物理本质的理解，研究者提出了一条普适而系统的设计具有可控角度色散特性的超构表面的新途径。

本文中，研究者首先展示了如何操控人工原子间的近场耦合强度实现对角度色散的有效调控。

如图3所示，通过简单地调整人工原子间的位置构型实现体系整体人工原子间的近场耦合强度的最小化，以消除由近场耦合效应引起的共振频率偏移，从而实现入射角度不依赖功能性器件。

反之，增大体系总的近场耦合效应，也可以有效增强体系的入射角度特性。

图3利用调控近场耦合强度实现超构表面角度色散调控

研究者进一步实验验证了通过巧妙设计人工原子的远场辐射行为同样可以实现对角度色散的有效调控。

如图4所示，超构表面的反射谱线线形随入射角的变化而变化，就实现了角度选择性的全吸收器件。

研究者进一步利用耦合模理论系统分析了上述体系的辐射和吸收特性，揭示了这些超构表面器件光学特性的物理本质。

图4 利用调控人工原子的远场辐射特性实现超构表面角度色散调控

3.2角度依赖的多功能偏振调控器件

基于对超构表面的角度色散的物理理解，研究者充分利用入射角度这一全新的调控自由度，在近红外波段实验实现了角度依赖的的多功能偏振调控器件。

如图5所示，研究者设计的均匀反射式超构表面可对不同角度入射光实现不同的偏振转化，如线偏振到椭圆偏振，圆偏振或交叉极化偏振等。

该超构表面器件充分利用了体系对TM和TE偏振光迥然不同的角度色散特性：超构表面对TE偏振光的共振频率几乎不随入射角度发生变化，而TM 偏振光的共振频率会随入射角的增大发生明显蓝移。

因此，在不同入射角度下，TE和TM模式间的反射相位差不同即可实现了角度依赖的多功能偏振调控。

图5 角度依赖的多功能偏振调控器件

3.3角度依赖的多功能波前调控器件

研究者还进一步提出了基于非均匀梯度超构表面的角度色散调控实现角度依赖的多功能调控器件的新思路。

如图6所示，通过构建一系列具有特定角度色散特性的人工原子，并将其按一定的相位条件分布组合而成非均匀超构表面，即可实现了对不同角度入射光的不同波前调控：在正入射情况下，该超构表面具有反射聚焦功能，而60°斜入射情况下，具备镜面反射功能。

这里由多个共振体构成的复合人工原子为调控体系的角度色散提供了更多的自由度。

图6 角度依赖多功能波前调控器件：在正入射下实现反射聚焦，斜入射下实现镜面反射。

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应用与展望

本文的研究结果不仅揭示了超构表面中角度色散的物理根源，而且还提出了一条高效自由调控超构表面角度色散的新途径，从而打开了“入射角度”这一全新的调控自由度，极大拓展了超构表面对电磁波的调控能力，为实现更多角度依赖的多功能性器件提供了全新的平台。