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大會優(yōu)秀論文一等獎

11月23日，在第三屆川渝科技學術大會暨四川科技學術大會上，中國科學院光電技術研究所（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（《無序超構表面中的長程有序光子態(tài)調控》）榮獲優(yōu)秀論文一等獎，相關成果發(fā)表在國際期刊Advanced Materials上。論文中提到的無序參量調控和拓撲優(yōu)化方法，為平面光學體系中的無序光場調控提供了新的理論和設計方法。

光學與人類生活、生產活動休戚相關，也是現代科學技術最活躍的前沿領域之一。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用還遠未達到令自己滿意的程度，人類對光的研究和應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，涉及各個領域的綜合性學科，其中包括研究光學成像系統像差、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構及器件，在成像、全息、顯示、激光等領域實現輕量化、平面化顛覆性應用的亞波長光學；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、數字光學多年。在此次獲獎論文中，他們將亞波長光學與無序光學結合，探索了亞波長光學中的無序光學現象及調控技術。

據了解，之所以會研究無序超構表面中的長程有序光子態(tài)調控，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中的傳播行為，在天文觀測、激光通信、生物成像等領域具有重要應用價值。此外，由于隨機散射的影響，光在隨機/無序介質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象。上述現象為隨機介質的光場調控提供了新的手段，目前已成為亞波長光學、納米光學等領域的研究重點，引起了國內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，在二維超構表面中，通過單元結構相位的無序化排布可以實現類似塊體材料中的新奇無序光學效應（例如幾何相位的無序化排布可以實現隨機Rashba效應，而通過無序化傳播相位則可實現具有大范圍光學記憶效應的波前調控功能），然而，由于局域/非局域單元結構耦合效應的影響，如何在無序超構表面中實現長程有序的光子態(tài)調控，仍是亞波長光學領域面臨的關鍵難題。

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

什么是無序超構表面？它是一類具有隨機相位分布的超表面。如何在無序超構表面中實現長程有序的相位分布？首先，該研究中心利用無序參數調控方法正向設計了一個全介質材料的無序超構表面，利用其相對較小的面內相位起伏，具體表現為與偏振轉換相關的隨機散射或定向透射功能。當無序超構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，通過合理設計單元結構參量的無序分布，可以使得超構表面整體的相位分布呈現出有序態(tài)。此時，根據不同的圓偏振轉換情況，超構表面可表現為定向傳輸（左旋圓偏振到右旋圓偏振轉換）或隨機散射（其它圓偏振轉換）。

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，可以實現特定光子態(tài)的逆向調控，克服單元晶格間局域耦合效應的影響，從而進一步提高復電場分布的均勻性。與初始的正向結構相比，拓撲優(yōu)化后的自由形狀超構表面具有更小的相位起伏范圍以及更高的相對效率，從而實現了長程有序的電場分布。仿真結果表明，經過拓撲優(yōu)化后，無序超構表面的面內振幅和面內相位起伏均得到了有效抑制。與初始結構相比，拓撲優(yōu)化超構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，拓撲優(yōu)化在無序光場調控方面具有巨大優(yōu)勢，有望應用于光學漫射器、波前整形、光學成像等實際器件及系統。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”變成現實。