近日，物理學院賴耘教授、彭茹雯教授和王牧教授合作團隊，首次利用了光學互易原理與空間反演實現了一種無序翻轉超構表面（random-flip metasurfaces），成功地將看似互相衝突的漫反射與透射清晰成像的功能完美融合，發展出一類新型光學表面，可應用於新型光學顯示和成像等領域，並切實改善人們日常生活中的視覺體驗。
透明資料表面通常伴隨著鏡面反射，這給人們的日常生活帶來了反射倒影、眩光等困擾。粗糙的資料表面可以將鏡面反射變為漫反射，從而消除倒影與眩光。但與此同時，由於無序也影響了透射光，使得透射成像不再清晰。一個簡單的例子就是毛玻璃，既沒有倒影也看不清楚後面的景物。透射清晰成像（透明）和漫反射分別對應於光滑表面和粗糙表面。在傳統光學看來，似乎是魚和熊掌不可兼得。那麼，現代光學中能否找到一個方法，解决這個看似互相衝突的難題呢？近期南京大學的賴耘教授、彭茹雯教授和王牧教授的合作研究團隊成功地在一類新型光學表面中將漫反射與透射清晰成像的功能完美融合，為上述古老的難題提供了一個有效的解决途徑[Science Advances 7，eabj0935（2021）]。
圖1.透明玻璃、毛玻璃以及具有新型光學表面的透明資料的視覺效果。
圖1A比較了光滑表面，粗糙表面和新型光學表面的物理機制。光滑表面由於在透射和反射光中保留了入射波的資訊，囙此同時實現透射與反射清晰成像（左圖）。相反，粗糙表面通過引入表面的隨機起伏，產生了雜亂無章的反射與透射光，破壞了入射波的資訊，使得透射和反射光無法清晰成像（中圖）。而新型光學表面則結合了光滑表面和粗糙表面兩者的優點，在透射上表現得如同光滑表面，在反射上表現得如同粗糙表面（右圖）。圖1B和1C分別展示了這三種光學表面的反射與透射效果圖。具有新型光學表面的透明資料，既可以像毛玻璃那樣把反射倒影消除，又可以像透明玻璃那樣完全清晰地看見後面的物體。這種神奇的效果可以通過設計超構表面將透射光和反射光之間的相位關聯打破來實現。
圖2.利用互易律與空間翻轉設計無序翻轉超構表面。
需要指出的是，透射清晰成像和漫反射這兩種功能都必須在可見光的寬頻範圍內工作才有實際應用價值。研究團隊發現，可以將互易律與空間反演引入超構表面設計來實現這個目的。基於互易律和空間翻轉操作，研究團隊設計了一種無序翻轉的超構表面，如圖2所示。超構表面由一對結構上下翻轉的單元構成。這兩種單元的透射係數幾乎相同，而反射相位可以有顯著的區別。從無序翻轉超構表面的遠場輻射模擬圖中可以發現透射波像穿過均勻資料一樣保持原傳播方向，而反射波則被散射向各個方向，形成了漫反射。
圖3.無序翻轉超構表面的透、反射成像實驗。
研究團隊使用磁控濺射、電子束光刻、多層套刻等方法製備了無序翻轉超構表面。透反射光學量測證明了無序翻轉超構表面具有透射完美透明和漫反射功能。進一步地，利用圖3A所示的實驗裝置，研究了無序翻轉超構表面的成像特性。作為對比，在相同的實驗條件和成像參數下，對無翻轉的相同單元構成的均勻結構也進行了量測。結果顯示，在520nm-850nm的寬波長範圍內，無論是透過無序翻轉超構表面還是均勻結構，都可以清晰地看到其後的小兔子圖案（圖3C）。透過超構表面成像的分辯率非常高（圖3E）。相反，均勻結構對小狗圖案形成了清晰的反射鏡像，而無序翻轉超構表面的反射鏡像則十分微弱，幾乎看不清楚（圖3D）。這直接驗證了無序翻轉超構表面能在保持透射透明的同時實現漫反射。
這種完美融合了透射清晰成像與漫反射的新型光學表面的實現解决了傳統光學的瓶頸難題。設計原理是基於互易律與空間反演操作，囙此是普適的，幾乎適用於任何資料（包括吸收資料）和結構。這種新型光學表面在高清顯示幕、玻璃幕牆、汽車玻璃等要求高透明度而同時又需要儘量避免反射眩光的場景中具有廣闊的應用前景。
該研究成果近期以“Diffuse reflection and reciprocity-protected transmission via a random-flip metasurface”為題於2021年9月8日線上發表於國際重要期刊《科學進展》[Science Advances 7，eabj0935（2021）]上。全文連結：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abj0935。
該工作第一作者為南京大學的褚宏晨助理研究員和熊翔副教授。通訊作者為南京大學的賴耘教授、彭茹雯教授和王牧教授。合作者包括蘇州大學的羅傑副研究員以及南京大學的高雅君博士、景灝博士、李成堯博士生。研究工作得到南京大學物理學院、固體微結構物理國家重點實驗室、人工微結構科學與科技協同創新中心等平臺支持，獲得科技部重點研發計畫，國家自然科學基金和南京大學登峰人才計畫B等專案資助。
以上內容來源於【南京大學】官網：https://www.nju.edu.cn/3c/15/c3674a539669/page.htm
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