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超构表面(Metasurface)是一种能在亚波长厚度范围内对光场的偏振、振幅、相位进行灵活调控的人工设计的新型结构，可视为超构材料的二维(平面)对应。作为微纳光学的前沿热点，超构表面因其强大的光场调控能力、可批量制造性及超薄平面结构特性等，被广泛用于各种微纳结构功能器件中，实现诸如全息成像、平面透镜、信息加密等功能。

自2011年超构表面概念首次提出，基于超构表面的光场调控的新原理、新技术以及新应用不断涌现，包括了各种各样的光场调控功能和器件。这些光场调控看似功能迥异、各有不同，但在数学上都可以用一个2×2的琼斯矩阵统一描述，这些不同的功能器件都可归纳于不同自由度琼斯矩阵的调控。

琼斯矩阵通常用于描述光学器件对光的偏振、振幅、相位的调控能力，共包含8个参数自由度。能调控的自由度越多，意味着对光场的调控能力越强，实现的功能也越丰富。对于单层结构，由于平面结构的对称性，其自由度最多只能达到6个。

近日，暨南大学纳米光子学研究院教授李宝军、包燕军等研究人员实现了自然界结构对光场的最普适以及最高自由度的调控。在该项工作中，李宝军团队基于双层超构表面结构，结合梯度下降算法和巧妙的结构设计，实现了自然界中结构所能达到的最大8个自由度的光场调控，并且给出传统设计方法所不能实现的光场调控功能，诸如：实现了对任意两种偏振态(可非正交)振幅和相位的独立调控；引入双层结构之间旋转自由度，与4种入射及探测偏振态相结合，实现了高达16种的独立全息图像。

该项工作的重要意义在于首次实现了自然界结构对光场的最普适以及最高自由度的调控，从而为自然界所允许的任意复杂光学功能的实现奠定了很好的基础。

相关成果Observation of full-parameter Jones matrix in bilayer metasurface于近日发表在期刊《自然通讯(Nature Communications)》。

资料来源：中国科学报

关键词： 琼斯矩阵 平面结构 功能器件