論文題目：Emerging long-range order from a freeform disordered metasurface

論文作者：徐明峰  蒲明博  張飛  郭迎輝  羅先剛

獲獎等次：第三屆川渝科技學術(shù)大會優(yōu)秀論文一等獎

11月23日，在第三屆川渝科技學術(shù)大會暨四川科技學術(shù)大會上，中國科學院光電技術(shù)研究所（以下簡稱“中科院光電研究所”）矢量光場研究中心的論文Emerging Long-range Order form Freeform Disordered Metasurface（《無序超構(gòu)表面中的長程有序光子態(tài)調(diào)控》）榮獲優(yōu)秀論文一等獎，相關(guān)成果發(fā)表在國際期刊Advanced Materials上。論文中提到的無序參量調(diào)控和拓撲優(yōu)化方法，為平面光學體系中的無序光場調(diào)控提供了新的理論和設(shè)計方法。

光學與人類生活、生產(chǎn)活動休戚相關(guān)，也是現(xiàn)代科學技術(shù)最活躍的前沿領(lǐng)域之一。隨著時代和科技的發(fā)展，光學望遠鏡——哈勃望遠鏡誕生，為天文學家捕捉到了人類歷史上從未捕捉到的最深入、最敏銳的太空光學影像。即便如此，人類對光的認識和應(yīng)用還遠未達到令自己滿意的程度，人類對光的研究和應(yīng)用也從未停止過前進的腳步。特別是近幾十年來，光學發(fā)展進入了一個日新月異的新階段，無論在發(fā)展的速度上還是規(guī)模上，都是史無前例的，光學也成為了一門相互交叉、相互滲透，涉及各個領(lǐng)域的綜合性學科，其中包括研究光學成像系統(tǒng)像差、色差、像散等畸變和校正的成像光學；利用超表面、超透鏡、超光柵等平面亞波長結(jié)構(gòu)及器件，在成像、全息、顯示、激光等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)輕量化、平面化顛覆性應(yīng)用的亞波長光學；此外，還有光纖光學、納米光學、量子光學、非線性光學、相干光學等。

中科院光電所矢量光場研究中心深耕亞波長光學、數(shù)字光學多年。在此次獲獎?wù)撐闹?，他們將亞波長光學與無序光學結(jié)合，探索了亞波長光學中的無序光學現(xiàn)象及調(diào)控技術(shù)。

據(jù)了解，之所以會研究無序超構(gòu)表面中的長程有序光子態(tài)調(diào)控，主要原因是因為有效控制光波在大氣湍流、生物組織等典型隨機介質(zhì)中的傳播行為，在天文觀測、激光通信、生物成像等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價值。此外，由于隨機散射的影響，光在隨機/無序介質(zhì)中傳播時會衍生出安德森局域性、寬帶透射增強、完美聚焦等新奇的物理現(xiàn)象。上述現(xiàn)象為隨機介質(zhì)的光場調(diào)控提供了新的手段，目前已成為亞波長光學、納米光學等領(lǐng)域的研究重點，引起了國內(nèi)外不少光學科研團隊的研究興趣。

過去幾年，不少科研團隊發(fā)現(xiàn)，在二維超構(gòu)表面中，通過單元結(jié)構(gòu)相位的無序化排布可以實現(xiàn)類似塊體材料中的新奇無序光學效應(yīng)（例如幾何相位的無序化排布可以實現(xiàn)隨機Rashba效應(yīng)，而通過無序化傳播相位則可實現(xiàn)具有大范圍光學記憶效應(yīng)的波前調(diào)控功能），然而，由于局域/非局域單元結(jié)構(gòu)耦合效應(yīng)的影響，如何在無序超構(gòu)表面中實現(xiàn)長程有序的光子態(tài)調(diào)控，仍是亞波長光學領(lǐng)域面臨的關(guān)鍵難題。

為破解這個難題，該研究中心通過無序參量調(diào)控和拓撲優(yōu)化方法，提出了一個基于無序參數(shù)調(diào)控及拓撲優(yōu)化方法的廣義框架，成功在無序超構(gòu)表面中實現(xiàn)了空間非均勻性的面內(nèi)相位分布。

什么是無序超構(gòu)表面？它是一類具有隨機相位分布的超表面。如何在無序超構(gòu)表面中實現(xiàn)長程有序的相位分布？首先，該研究中心利用無序參數(shù)調(diào)控方法正向設(shè)計了一個全介質(zhì)材料的無序超構(gòu)表面，利用其相對較小的面內(nèi)相位起伏，具體表現(xiàn)為與偏振轉(zhuǎn)換相關(guān)的隨機散射或定向透射功能。當無序超構(gòu)表面當中只有傳播相位無序或幾何相位無序時，其整體相位分布均為無序分布。然而，通過合理設(shè)計單元結(jié)構(gòu)參量的無序分布，可以使得超構(gòu)表面整體的相位分布呈現(xiàn)出有序態(tài)。此時，根據(jù)不同的圓偏振轉(zhuǎn)換情況，超構(gòu)表面可表現(xiàn)為定向傳輸（左旋圓偏振到右旋圓偏振轉(zhuǎn)換）或隨機散射（其它圓偏振轉(zhuǎn)換）。

其次，通過引入拓撲優(yōu)化方法，定義無序和有序光場的評價函數(shù)，可以實現(xiàn)特定光子態(tài)的逆向調(diào)控，克服單元晶格間局域耦合效應(yīng)的影響，從而進一步提高復(fù)電場分布的均勻性。與初始的正向結(jié)構(gòu)相比，拓撲優(yōu)化后的自由形狀超構(gòu)表面具有更小的相位起伏范圍以及更高的相對效率，從而實現(xiàn)了長程有序的電場分布。仿真結(jié)果表明，經(jīng)過拓撲優(yōu)化后，無序超構(gòu)表面的面內(nèi)振幅和面內(nèi)相位起伏均得到了有效抑制。與初始結(jié)構(gòu)相比，拓撲優(yōu)化超構(gòu)表面的相位均勻性提高了約4倍，且右旋圓偏振光的相對透射效率提升了約39%。

該項研究發(fā)現(xiàn)，拓撲優(yōu)化在無序光場調(diào)控方面具有巨大優(yōu)勢，有望應(yīng)用于光學漫射器、波前整形、光學成像等實際器件及系統(tǒng)。其中最值得期待的就是利用拓撲優(yōu)化方法可對激光器、光學漫射器等光場散射特性進行優(yōu)化，實現(xiàn)光照清晰、柔和、無眩光的照明，減少光污染，有望將節(jié)能、環(huán)保、安全、舒適的“綠色照明”變成現(xiàn)實。