一个微小结构打破了光学基本法则

近日，中山大学物理学院董建文教授团队提出了调控Fano共振光谱的辐射单向性新自由度，基于双层错位超构光栅克服了周期体系内禀的角度-波长锁定机制。团队发展了双层微纳光栅制备工艺和辐射单向性的显微角分辨测量技术，并在实验上首次展示了具有“空间频率-光谱频率”联合选择性的高对比度成像。该工作不仅为独立调控角度和波长这一基础性难题提供了创新方案，也为AR/VR显示、光谱成像、相干热辐射、先进半导体制造等技术应用提供了新思路。相关研究成果于7月8日发表于国际顶尖光学期刊《光·快讯》（eLight）上。

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图1. 双层错位超构光栅实现单角度和单波长选择性的示意图

长期以来，由于周期体系具有内禀的色散特性，共振光谱中角度和波长存在锁定关系。因此，在人们的传统认知里，光入射角度改变伴随光学器件滤波波长改变是普遍的物理规律。这种锁定关系使得独立操控角度和波长成为难题，也为光学应用设置了基础性限制。

理论上，研究团队发现光学模式辐射单向性是解决这一基础性问题的关键。他们发现辐射单向性如同一块神奇的橡皮差，使得我们能够精准地擦除色散曲线上光的反射痕迹，克服角度和波长的锁定关系。实验上，控制超薄间隔层（~ 30 nm）的平整度和精细错位距离（~ 30 nm）是实验制备面临的核心挑战。针对这一难题，研究团队经过持续多年的技术迭代，自主发展了“多次刻蚀-间接测量-再沉积”的间隔层厚度控制工艺和双层精细对准的套刻工艺，成功制备了工作在近红外波段的高质量双层错位超构光栅样品。

在此基础上，研究团队对辐射单向性进行了光学显微角分辨测量，并实验验证了零角度以及中心波长的联合光谱选择性。进一步，他们在国际上率先开发了毫米量级的高精度双层超构光栅，并成功演示了同时实现空间频率和光谱频率选择性的高对比度成像功能。

物理学院博士毕业生庄泽鹏、周鑫和2024级博士研究生曾浩龙为共同第一作者，复旦大学周磊教授和中山大学董建文教授为通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金重点项目、首批广东省自然科学基金卓越青年团队的大力支持。

论文链接：https://elight.springeropen.com/articles/10.1186/s43593-025-00092-y