《Light: Science Applications》超表面偏振态与偏振度完全独立控制新范式

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前沿摘要

近日，国际光学期刊《Light: Science & Applications》刊登了一项由香港理工大学与新加坡国立大学联合团队的重要研究(https://doi.org/10.1038/s41377-025-02084-6)。该团队提出了一种基于“广义晶格”的超表面设计新方法，首次实现了对光的偏振状态（SoP）与偏振度（DoP）的完全独立控制，为量子光学、成像、通信等领域带来了全新的技术可能性。

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核心内容

传统超表面设计多采用周期性排列的单元结构，虽能调控光的偏振状态，但难以同时独立控制偏振度，二者往往相互耦合，限制了其应用灵活性。本研究创新性地引入“广义晶格”框架，通过在表面上非周期性地排布两种不同结构的超原子，并利用其数量比例作为新的调控自由度，成功实现了：

SoP控制：通过调节超原子的旋转角度与尺寸，精准调控偏振在庞加莱球上的方位角与仰角；

DoP控制：通过调控两类超原子的数量比例，独立控制光的偏振度；

全局均匀性：采用二维装箱算法实现超原子的均匀分布，避免高阶衍射，保证光学性能一致。

研究团队通过仿真与实验验证了该方法的有效性，实验测得偏振相似度（SED）平均达0.90，与理论值0.93高度吻合，展现了优异的控制精度与实用性。

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研究意义

这项研究不仅提供了一种全新的超表面设计范式，更在物理层面建立了一套“结构参数—偏振响应”的直接映射关系，使得偏振控制变得更直观、更灵活、更易实现。其突破性在于：

为高维光场调控提供了新工具，可应用于量子信息处理、高分辨率成像、光学加密等领域；

推动超表面向多功能集成化、小型化发展，有望替代传统复杂光学系统；

为非周期、不对称纳米结构的光学行为研究提供了新视角，拓展了超表面设计的理论边界。

该工作标志着超表面在偏振调控领域迈出了关键一步，为下一代智能光学系统与光子芯片的发展奠定了重要基础。

图1：本研究的概念图

图2：斯托克斯参量解耦原理与超表面排布流程

图3：主导偏振态方位角、仰角及偏振度独立控制展示

图4：全斯托克斯参数独立控制的实验验证

图5：广义晶格排布方法的稳健性

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