近日，北京理工大学黄玲玲教授团队首次提出了一种基于准晶超表面的全息与衍射图案生成双功能方案，通过对准晶排布下的超原子施加额外的相位调制，实现了远场准晶衍射图案和近场全息图像的同时投影显示。除此之外，还利用特殊的梯度相位以及引入随机化过程，对衍射图案中特定衍射级次进行控制，为衍射图案的定制化带来更多的灵活性。这一方案将超表面的整体排布与超原子的局域电磁响应相结合，为准晶超表面的应用提供了新的视角，同时为超表面复用技术提供了新的操纵维度，将促进超表面在功能紧凑型光学器件领域的应用发展。该研究成果在卓越计划高起点新刊eLight上发表，题为为“Quasicrystal Metasurface for Dual Functionality of Holography and Diffraction Generation”。

准晶

1982年，Dan Shechtman在观察铝-锰合金的电子衍射图谱时发现了不同寻常的十次旋转对称性，这在当时的晶体学中被认为是不可能出现的。根据结晶学限制定理，晶体的旋转对称性被严格限制在二次、三次、四次以及六次，而准晶却能达到特殊的五次、八次以及十二次对称性。准晶的发现扩展了传统晶体学的概念，Shechtman也因此获得了2011年诺贝尔化学奖。

准晶是晶体概念的自然延伸，是一种具有长程有序性但没有平移周期性的结构。准晶自发现以来，由于其数学上的准周期性排列和物理上独特的衍射谱，引起了人们的极大关注，在化学、数学、物理和建筑等多个领域都取得了众多的研究成果。在光学领域中，将准晶与现有概念相融合发现了许多新的实验现象与物理性质。通过将准晶引入到光子晶体中形成了所谓的光子准晶的概念，在其中观察到了完全的光子带隙、局域态以及非线性效应增强等现象。近些年来，将超原子按照准周期排布组成的准晶超表面引起了研究人员的兴趣。然而，已有的研究仅是简单改变超原子的排布方式，并没有引入更加复杂的设计，相当于只有0，1的二元振幅调制，其局域电磁响应未获重视。

图1：Penrose准周期排布及其几何结构因子

传统的超表面通常以周期排布的方式对单元结构进行阵列，如方形或六方晶格等二维布拉维点阵的形式。与此相适应，常规的设计方法首先计算超表面的整体相位或振幅分布，然后挑选具有合适电磁响应的超原子。因此，目前对超表面的研究更多地偏向于纳米结构的局域电磁响应，而对超表面整体的排布方式缺少关注。准晶超表面通过同时对超原子的排布方式及复振幅响应进行调控的方式，为超表面设计提供了新的思路。并且，准晶所具有的长程有序性但没有平移周期性的特点在这方面具有天然的优势。对准晶排布施加局域相位和振幅调制可以实现额外的功能，然而这在之前的工作中还缺乏研究。

准晶超表面全息与衍射生成

针对上述问题，北京理工大学黄玲玲教授团队首次提出并演示了一种可以同时产生准晶衍射图案和再现全息图像的双功能准晶超表面。在该设计中，准晶超表面由按照彭罗斯准周期排布的超原子阵列而成，由于超原子排布的准周期和长程有序性，在远场可以观察到这种准晶超表面的具有十次旋转对称性的独特衍射图案，而在预定距离（菲涅尔域或傅里叶域）处的全息图像是基于准晶超表面的每个超原子提供的相位调制而产生的。

图2：准晶超表面全息与衍射生成原理示意图

研究团队首先采用罗宾逊三角分解法计算得到彭罗斯平铺，然后针对准周期排布改进并提出了一套适用于任意分布下的Gerchberg-Saxton算法，由此获得准晶排布下的全息图相位分布。基于上述原理，设计并制备了几何相位及传播相位准晶超表面，在近场分别重建出字母“A”和“B”的全息图像，并在远场产生准晶的衍射图案。进一步在传播相位准晶超表面的其中一个偏振通道中编码了特殊的梯度相位，此梯度相位与超原子所在彭罗斯菱形的空间旋转角相关，会在远场产生相消干涉，从而对衍射图案的中央零级进行抑制。

图3：全息与衍射生成仿真与实验结果

此外，研究团队还在梯度相位当中引入了随机化过程，从而实现特定衍射级次的控制（见论文补充材料）。一方面，该方法可用于光开关等领域，另一方面，对准晶结构施加相位调制能够使衍射级次发生改变，为解释或预测具有特殊晶格结构以及相位分布的物质提供了新的思路。

图4：特定衍射级次控制

前景展望

这一工作首次在准晶排布中引入了精细的相位调控，为准晶超表面的应用提供了新的视角并为超表面多路复用技术提供了一个新的维度。在准晶结构中施加特殊的相位调控，可以实现额外的功能并改变准晶的衍射图案，这一思路反过来为相位探测技术提供了新的方向，可由衍射图案和相位探测技术推断准晶原子的分布以及局域光学响应特性。该方法为自然界中具有特殊排列和相位分布的物质的检测提供了潜在的技术手段，并可以为光开关、全息显示、光学加密及防伪等应用开拓道路。（来源：中国光学微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1186/s43593-024-00065-7