科学家利用创新的双层超表面光栅将角度和波长进行解耦，打破了光学领域的一项基本极限。

光的波长和传播方向（角度）是定义光的行为的两个基本特性。精确控制这两个特性对于许多先进光学技术的功能至关重要。

然而，在具有重复结构（周期性系统）的系统中，自然色散效应会在波长和角度之间产生内在联系。这种联系被称为角度-波长锁定，意味着调整入射光的角度通常会导致器件的滤波波长发生偏移。

这种相互交织的关系长期以来被视为不可避免，对于需要分别调整角度和波长的应用而言，这构成了一项重大挑战。它导致了许多重大的技术障碍，如增强现实（AR）显示器中出现的彩虹般的色彩伪影、由于颜色在不同角度扩散而导致的宽视场成像模糊、由于角度干扰导致光电探测器光谱数据准确性降低，以及对高效、特定方向光源的设计限制。

辐射方向性取得突破

在《eLight》上发表的一篇新论文中，由中山大学董建文教授和复旦大学周磊共同领导的一组科学家发现，光学模式辐射的方向性是克服这一基本挑战的关键。他们通过理论分析，建立了通过辐射方向性设计共振光谱的完整相图，揭示了空间反演对称性和光学模式的高度定向辐射是打破角度-波长锁定效应不可或缺的物理条件。

基于此，他们在双层超光栅中引入了一定程度的横向位移。这种设计在打破垂直镜像对称性的同时，保留了空间反转对称性，从而实现了对辐射方向性的精确角度控制。从理论上讲，他们预测共振反射仅发生在正入射和接近中心波长的情况下。他们还提出了实现任意角度和波长下的时空光谱选择性的通用设计方案。

“辐射的方向性就像一个‘神奇橡皮擦’，使我们能够精确地抑制沿色散曲线的光谱特征。这一特性使得我们能够独立选择角度和波长，从而克服了本征色散带来的限制，”他们总结道。

克服制造挑战

“双层超光栅的实验制作是另一项挑战，因为要同时实现超薄间隔层的平整度和层间的精确横向错位，需要采用复杂的纳米制造技术，”他们补充道。

为了解决这一问题，他们开发了一种新颖的制作方法，涉及多步蚀刻、间接厚度测量和迭代沉积工艺。该方法结合高精度双层对准技术，成功制作了高质量且适用于近红外工作的双层超表面光栅。该方法具有极佳的间隔物平整度和厚度可调性，对准精度可达约10纳米，并且与各种间隔物材料兼容，为研究双层光子系统建立了一个灵活的实验平台。

利用这一平台，他们通过实验证明只有在单一角度和单一波长下才会发生高反射率。为了确认这种新型反射率源于辐射的方向性，他们还进行了角分辨光学显微镜测量，以表征样品辐射的方向性。通过将时间耦合模理论与交叉极化测量技术相结合，他们定量测量了共振模式的单向辐射。

此外，该研究团队率先开发了毫米级高精度双层超表面光栅，并成功实现了在0°和1342纳米下兼具空间选择性和光谱频率选择性的高对比度成像。这为紧凑型光学成像和光学计算技术开辟了新的机遇。

科学家们预测：“这项研究不仅为独立控制角度和波长这一基本挑战提供了创新的解决方案，还为增强现实/虚拟现实显示、光谱成像、相干热辐射和先进半导体制造等技术应用提供了新的见解。”

参考文献：《错位双层超光栅克服本征色散锁定以实现空谱选择性》，作者：庄泽鹏、周欣、曾浩龙、李梦雨、陈泽明、何新涛、陈晓东、周磊、董建文，发表于2025年7月8日，eLight期刊。DOI：10.1186/s43593-025-00092-y

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