石墨烯超表面实现深亚波长动态调控高阶异常反射

超表面作为新型的超材料，可以在超薄平面上对电磁波的波前进行深度调控。对超表面的动态调控一直都是研究的热点，传统的动态调整方法是基于热机制或机械机制，通常受限于响应速度慢或调整范围小。石墨烯超表面因其可以有效的对电磁波进行动态调控而受到广泛关注。另一方面，为了满足奈奎斯特定理，超表面的晶格尺寸应该足够小。对于复杂或快速变化的相位分布，需要深亚波长纳米结构来实现所需的相位调制。基于石墨烯的超表面，在红外波段纳米结构的尺寸可以减小到〜λ/ 80，而传统的等离子体或电介质超表面，纳米结构的尺寸在λ/ 8到λ/ 3左右。

近期，南开大学陈树琪研究团队通过在金层上对石墨烯十字结构进行排列设计，实现了高阶异常反射和超高阶涡旋光束。该结构由用来抑制透射光的金平面和周期排列的石墨烯十字结构组成，在石墨烯结构上覆盖一层充当石墨烯晶体管中具有高电容的栅介质的离子凝胶来实现动态调控。该设计通过对石墨烯结构不同排列方式，最高可以实现5阶异常反射模式。为了验证高阶反射超表面的性能，该团队设计了一系列具有从0到m×2π的螺旋相位改变的样本。这个特定的相位分布导致拉盖尔高斯光束的产生，模拟结果展示了高达15阶的涡旋光结果。设计的关键在于石墨烯纳米结构的尺寸远小于工作波长（约λ/ 80），这支持了亚波长尺度下的复杂相位操作。由于石墨烯的电导率可以通过静电选通动态控制，可以在宽带范围内保持并控制异常转换的效率。

高阶模式所带来的新自由度有利于波前的操纵，并将促进纳米光子系统的更多应用，可以在许多特定的物理领域提供应用，例如偏振和光谱分束器，高数值孔径等离子体透镜。凭借其卓越的性能，该设计为可调器件，信息光学，偏振和光谱分束器等应用提供了广泛的平台。相关文章在线发表在Advanced Optical Materials（DOI: 10.1002/adom.201701047）上。