论文题目：Emerging long-range order from a freeform disordered metasurface

论文作者：徐明峰  蒲明博  张飞  郭迎辉  罗先刚

获奖等次：一等奖

11月23日，在第三届川渝科技学术大会暨四川科技学术大会上，中国科学院光电技术研究所（以下简称“中科院光电所”）矢量光场研究中心的论文“Emerging long-range order from a freeform disordered metasurface”（《无序超构表面中的长程有序光子态调控》）荣获优秀论文一等奖，相关成果发表在国际期刊Advanced Materials上。论文中提到的无序参量调控和拓扑优化方法，为平面光学体系中的无序光场调控提供了新的理论和设计方法。

光学与人类生活、生产活动休戚相关，也是现代科学技术最活跃的前沿领域之一。随着时代和科技的发展，光学望远镜——哈勃望远镜诞生，为天文学家捕捉到了人类历史上从未捕捉到的最深入、最敏锐的太空光学影像。即便如此，人类对光的认识和应用还远未达到令自己满意的程度，人类对光的研究和应用也从未停止过前进的脚步。特别是近几十年来，光学发展进入了一个日新月异的新阶段，无论在发展的速度上还是规模上，都是史无前例的，光学也成为了一门相互交叉、相互渗透，涉及各个领域的综合性学科，其中包括研究光学成像系统像差、色差、像散等畸变和校正的成像光学；利用超表面、超透镜、超光栅等平面亚波长结构及器件，在成像、全息、显示、激光等领域实现轻量化、平面化颠覆性应用的亚波长光学；此外，还有光纤光学、纳米光学、量子光学、非线性光学、相干光学等。

中科院光电所矢量光场研究中心深耕亚波长光学、数字光学多年。在此次获奖论文中，他们将亚波长光学与无序光学结合，探索了亚波长光学中的无序光学现象及调控技术。

据了解，之所以会研究无序超构表面中的长程有序光子态调控，主要原因是因为有效控制光波在大气湍流、生物组织等典型随机介质中的传播行为，在天文观测、激光通信、生物成像等领域具有重要应用价值。此外，由于随机散射的影响，光在随机/无序介质中传播时会衍生出安德森局域性、宽带透射增强、完美聚焦等新奇的物理现象。上述现象为随机介质的光场调控提供了新的手段，目前已成为亚波长光学、纳米光学等领域的研究重点，引起了国内外不少光学科研团队的研究兴趣。

过去几年，不少科研团队发现，在二维超构表面中，通过单元结构相位的无序化排布可以实现类似块体材料中的新奇无序光学效应（例如几何相位的无序化排布可以实现随机Rashba效应，而通过无序化传播相位则可实现具有大范围光学记忆效应的波前调控功能），然而，由于局域/非局域单元结构耦合效应的影响，如何在无序超构表面中实现长程有序的光子态调控，仍是亚波长光学领域面临的关键难题。

为破解这个难题，该研究中心通过无序参量调控和拓扑优化方法，提出了一个基于无序参数调控及拓扑优化方法的广义框架，成功在无序超构表面中实现了空间非均匀性的面内相位分布。

什么是无序超构表面？它是一类具有随机相位分布的超表面。如何在无序超构表面中实现长程有序的相位分布？首先，该研究中心利用无序参数调控方法正向设计了一个全介质材料的无序超构表面，利用其相对较小的面内相位起伏，具体表现为与偏振转换相关的随机散射或定向透射功能。当无序超构表面当中只有传播相位无序或几何相位无序时，其整体相位分布均为无序分布。然而，通过合理设计单元结构参量的无序分布，可以使得超构表面整体的相位分布呈现出有序态。此时，根据不同的圆偏振转换情况，超构表面可表现为定向传输（左旋圆偏振到右旋圆偏振转换）或随机散射（其它圆偏振转换）。

其次，通过引入拓扑优化方法，定义无序和有序光场的评价函数，可以实现特定光子态的逆向调控，克服单元晶格间局域耦合效应的影响，从而进一步提高复电场分布的均匀性。与初始的正向结构相比，拓扑优化后的自由形状超构表面具有更小的相位起伏范围以及更高的相对效率，从而实现了长程有序的电场分布。仿真结果表明，经过拓扑优化后，无序超构表面的面内振幅和面内相位起伏均得到了有效抑制。与初始结构相比，拓扑优化超构表面的相位均匀性提高了约4倍，且右旋圆偏振光的相对透射效率提升了约39%。

该项研究发现，拓扑优化在无序光场调控方面具有巨大优势，有望应用于光学漫射器、波前整形、光学成像等实际器件及系统。其中最值得期待的就是利用拓扑优化方法可对激光器、光学漫射器等光场散射特性进行优化，实现光照清晰、柔和、无眩光的照明，减少光污染，有望将节能、环保、安全、舒适的“绿色照明”变成现实。