几何相位的概念引发了光子学领域的革命。光学系统中传统的空间变化偏振操控仅能产生宽带几何相位。近年来新兴的非局域超表面虽可通过波长相关振幅调制压缩工作带宽，但其几何相位仍为宽带且非线性，这对实现超窄带超表面器件构成了严峻挑战。在此，我们提出并验证了在共振超表面中生成超窄带且空间变化的几何相位。研究发现，微扰米氏谐振器阵列能够同时保持全局对称性与局域变换特性：局域变换提供像素级几何相位，而全局对称性则赋予其超窄工作带宽。进一步通过引入额外微扰，我们揭示了可将该几何相位精准锚定至共振模式（即在非共振波长处独立定义相位）。基于此，我们实验实现了具有破纪录品质因数与高保密性的像素化相位梯度超表面及超表面透镜。我们认为，这一普适方法与实验结果将为复用超表面与信息加密领域开辟新范式。
图1. 高Q值相位梯度超表面的概念
(A) 硅基超表面的示意图。插图展示单个单元的详细结构参数。(B)、(C) 束缚态在连续谱（BIC）模式的共振波长与品质因数（Q因子）随气孔半径的变化关系。(D) 准BIC模式的共振波长（上）与半高全宽（FWHM，下）随旋转角度θ的变化（气孔尺寸固定为r=30 nm）。插图为数值计算的功率分布（上）与电场分布（下）。(E) 实验获得的几何相位φPB（点）随旋转角度θ的变化，实线为φPB=2θ的理论曲线。(F) 本超表面（含N个相位步长的超单元，点）与传统非局域超表面（空心方块）的Q因子对比（位置参数ρ固定为80 nm）。插图为传统非局域超表面结构示意图。
图2.超高Q值相位梯度超表面的实现
(A) 硅基超表面的扫描电镜（SEM）图像。插图为高分辨率顶视图（上）与倾斜视图（下）。
(B) 硅基超表面的交叉偏振透射光谱（实验数据点）及其拟合曲线。
(C) 实验记录的Pancharatnam-Berry（PB）相位随旋转角度θ的变化（点），实线为理想值ΦPB=2θ的理论曲线。
(D)、(E) 对应旋转角度θ下的共振波长与半高全宽（FWHM）。图中线条为像素级可变旋转角度θ的硅基超表面理论值，插图为结构示意图（图2D）。
图3.数值孔径（NA）=0.18的超高Q值超表面透镜
(A) 硅基超表面透镜的顶视SEM图像。插图为设计的相位分布轮廓。(B)、(C) 不同波长下焦点在x-y平面（B）与x-z平面（C）的实验强度分布。(D) 焦点处交叉偏振强度随波长的变化。强度随波长微小偏移急剧下降，实现了破纪录的1.3 nm半高全宽（FWHM）。(E) 波长1519.3 nm时，焦点的实验线切割（点）与理论线切割（线）对比。
图4.窄带几何相位特性
(A) 基于窄带几何相位的超表面示意图。插图为单元结构的顶视、侧视图像，以及共振与非共振波长下的电场分布（E_x,y）。(B) x偏振与y偏振入射光的透射系数随单元条宽w的变化关系。(C)、(D) 不同旋转角度θ下，窄带超表面的模拟共振波长（C）与几何相位（D，点）。图D中空心方块为非共振波长下的几何相位（直接对比用）。(E)、(F) 不同旋转角度θ下，硅基超表面的实验共振波长（E）与半高全宽（F）。(G) 实验记录的共振波长（蓝点）与非共振波长（红点）下的PB相位对比。
图5.基于窄带几何相位的高Q值超表面透镜
(A) 硅基超表面透镜的顶视SEM图像。插图为设计的相位分布轮廓。(B) 不同波长下，焦点在x-y平面的实验强度分布。(C) 焦点处交叉偏振强度随波长的变化，半高全宽（FWHM）为1.4 nm。(D) 传统高Q值超表面透镜（蓝点）与窄带PB相位超表面透镜（红点）在不同入射功率下的焦点交叉偏振强度对比。(E)、(F) 传统非局域超表面透镜（E）与窄带PB相位非局域超表面透镜（F）在非共振波长（1515.1 nm）下的聚焦强度分布（入射激光固定）。传统透镜在高入射功率下仍有焦点，而窄带透镜可完全消除此效应。
科学技术的发展离不开科研仪器的进步。凯视迈（KathMatic）自2014年创建以来，一直“致力于高精尖光学测量技术”，已成为集“研发、制造、销售”为一体的国产高端光学精密测量仪器新力量。推出了KC系列多功能精密测量显微镜🔬、KS系列超景深3D数码显微镜🔬以及KV系列激光多普勒测振系统，取得了良好的市场成绩。详情欢迎留言咨询!
