如今，一种薄如纸张的表面能让光线沿两条独立路径传播，且色彩清晰度丝毫不减。

宽带消色差波前控制技术在包括全彩成像和多光谱传感在内的下一代光子技术中发挥着核心作用。近日，由南京大学冯一军教授和陈珂教授领衔的研究团队在《光子学研究》（PhotoniX）期刊上报道了该领域的重大进展。

研究人员提出了一种混合相位协同色散调控方法，该方法在单层超构表面中融合了阿哈罗诺夫-阿南丹（Aharonov–Anandan，AA）几何相位与潘查拉特纳姆-贝里（Pancharatnam–Berry，PB）几何相位。此策略可实现对两种不同光自旋态波前的独立无色差调控。

为何光的散射使其难以控制

色散是电磁波的固有特性。它使光在不同波长下表现出不同特性，这一特性虽有其用途，但也会引发色差问题。随着带宽增加，这些效应会导致导向角偏移、焦点位置变化以及空间精度下降。

超表面作为一种由精心设计的亚波长超原子阵列构成的平面结构，已成为调控光场的重要工具。然而，目前大多数消色差超表面设计实际上仅限于单一自旋通道，即便在同时考虑双自旋通道的案例中，两个通道也被迫呈现相同的色散特性。这种局限性使得在紧凑型平台上实现对双自旋相位与群延迟的真正独立调控变得异常困难，而该能力对于多通道集成与功能复用技术而言至关重要。

混合几何相位如何解锁双自旋控制

为在超原子层面突破这一局限，研究人员开发了一种混合相位架构，其中每个几何相位均承担独特功能。在该设计中，AA相位实现了团队所称的“自旋解耦”，而PB相位则支持“相位延展”。每个超原子内部的不对称电流分布，使右旋与左旋圆偏振（RCP与LCP）波沿不同路径反射。这种分离效应使得其相位与色散特性得以独立调控。

随后，研究人员采用共振强度工程手段，分别对每种自旋态的群延迟进行调节。通过频率调谐与局部结构旋转实现相位控制，有效抑制了不必要的串扰。而通过全局旋转引入的潘查拉特纳姆-贝里（PB）相位，则将可实现的相位范围扩展至完整的2π周期，且无需对群延迟设计进行大幅改动。这些技术要素共同构成了一种切实可行的单层结构设计方法，可实现双自旋态消色差性能。

实验装置与频段演示

研究团队通过实验，利用两种在8-12GHz频段运行的设备验证了他们的方法。其中一组设备采用自旋解锁消色差光束偏转器，能在整个频段内保持稳定且与自旋相关的转向性能。另一组设备则包含消色差金属透镜，可在同一频段内为右旋圆偏振光（RCP）和左旋圆偏振光（LCP）分配不同的聚焦功能，同时保持优异的聚焦性能。

此外，研究人员还展示了将相同原理拓展至0.8-1.2太赫兹频段的设计方案。研究结果表明，该方法并非局限于特定频段，而是代表了一种具有广泛适用性的色散工程策略。

迈向更灵活紧凑的超构光学

总体而言，这项研究使无色超表面突破了单通道校正的局限，迈向了可独立设计的双自旋元光学领域。通过将两个自旋通道视为真正独立的自由度，该方法得以在单一平台上构建紧凑、多功能的光学系统。

展望未来，混合相位设计理念有望拓展至可见光谱领域，用于偏振复用成像及宽带集成超构光学器件。作者还指出，包括遗传算法与深度学习在内的逆向设计方法，或将进一步加速器件优化进程，为实用化系统级应用提供有力支撑。

参考文献：王佳浩、屈凯、倪俊哲、杨维旭、唐奎、董淑芳、王少杰、赵俊明、姜天、陈克、冯一军所著《混合相位协同色散工程赋能宽带自旋解锁消色差超构器件》，发表于2025年12月16日《光子X》（PhotoniX）。DOI：10.1186/s43074-025-00217-z