超材料是指利用亚波长微结构单元控制电磁波的偏振、振幅、相位等的人工材料，近年来已成为物理学和光学领域研究热点之一。偏振控制是超材料的重要研究方向之一，绝大部分实现宽带偏振控制的超材料器件基于共振解耦合机制，该方法在宽带反射式器件上取得成功，但共振机制的限制难以推广到宽带透射式器件。少数能够实现宽带透射波片功能的超材料器件，都具有不重合的截面结构，难以用通行的微纳加工工艺实现。

光电子集成与器件功能实验室陈林研究小组提出利用多束干涉所产生的额外相位来控制整个传输相位，从而在较宽的光谱范围内实现近乎平坦的相位差。此方法可以建造宽带超材料器件，例如需要在宽光谱范围内维持透射波的恒定相位差的四分之一波片。以各向异性超材料为例，通过引入多光束干涉来控制传输相位色散，建立了一种高性能宽带波片的通行策略。通过对各向异性超材料的几何参数进行具体设计，使两个偏振分别处于相长干涉和相消干涉，从而在两个正交偏振方向上产生额外的正或负相移，来消除总体正交偏振相位差色散。作为概念证明，设计了由金属和电介质多层材料制成的具有大双折射指数的各向异性超材料，使微波波段、近红外波段和太赫兹波段的正交偏振相位差平坦，在分别为12.0%、13.6%和35.8%的相对带宽中实现圆偏振向线性偏振的几乎完全转变 (线性偏振度大于0.95)。该研究为构建具有不同波段和不同类型超材料的宽带高效光学器件提供了一种新方法。

2019年4月15日，研究成果以“基于多光束干涉效应的宽带超材料波片”(基于多光束干涉效应的宽带超材料波片)为题，在线发表在《物理评论应用》(Physical Review Applied) 上。该研究工作得到了国家自然科学基金(11674118, 11474116, 11574226, 11674068, 和11734007),江苏省自然科学基金(BK20170058),国家重点基础研究发展计划(2017YFA0303504），上海市科学技术委员会(16JC1403100),和材料合成与加工先进技术国家重点实验室(武汉理工大学)等的大力支持。

图 (a) 红外波段各向异性超材料宽带四分之一波片结构示意图; (b) x和y偏振透射幅值和透射相位以及总透射幅值和插入损耗; (c) 相位差和线偏振度。

文章链接：https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.11.044042

来源：武汉光电国家研究中心