能夠獨立控制光的振幅和相位的石墨烯等離子激發超分子的示意圖。圖片：KAIST

研究人員描述了一種設計超分子（metamolecule）的新策略，該策略結合了兩個獨立可控的亞波長亞原子。對超分子的這種兩引數控制確保了對光的振幅和相位的完全控制。

KAIST研究小組與威斯康星大學麥迪遜分校合作，從理論上提出了一種基於石墨烯的有源超表面（metasurface），該表面能夠獨立地控制中紅外光的幅度和相位。通過解決光振幅和相位的獨立控制問題，這項研究為高解析度調製中紅外光波前（wavefront）提供了新的見識，這一直是一個長期的挑戰。

光調製技術對於開發諸如全息照相、高解析度成像和光通訊系統之類的未來光學裝置至關重要。液晶和微機電系統（MEMS）以前已被用來調製光。但是，這兩種方法都受到驅動速度的顯著限制，並且單位畫素尺寸大於衍射極限，因此阻止了它們整合到光子系統中。

超表面平臺被認為是下一代光調製技術的強大候選者。超表面具有天然材料無法擁有的光學特性，並且可以克服傳統光學系統的侷限性，例如形成超出衍射極限的高解析度影象。特別地，有源超表面由於其具有電訊號的可調光學特性而被認為是具有廣泛應用的技術。

然而，先前的活性超表面受到光振幅控制和相位控制之間不可避免的相關性的困擾。此問題是由常規超表面的調製機制引起的。常規的超表面被設計成使得一個亞原子僅具有一個共振條件，但是單個共振設計固有的缺乏獨立地控制光的振幅和相位的自由度。

該研究小組通過結合兩個獨立可控的元原子（meta-atom），製成了一個元單元，從而大大提高了活性超表面的調製範圍。所提出的超表面可以以超出衍射極限的解析度獨立控制中紅外光的振幅和相位，從而可以完全控制光波前。

研究小組從理論上證實了所提出的有源超表面的效能以及使用這種設計方法進行波前整形的可能性。此外，他們開發了一種分析方法，無需複雜的電磁模擬就可以近似超穎表面的光學特性。該分析平臺提出了更直觀，更全面適用的超表面設計指南。

博士生Sangjun Han（左），Seyoon Kim博士（中）和Min Seok Jang教授（右）。圖片：南韓科學技術高等研究院（KAIST）

與現有的波前整形技術相比，預計所提出的技術能夠實現更高的空間解析度和精確的波前整形，該技術將應用於有源光學系統，例如中紅外全息術，可用於LiDAR的高速光束轉向裝置，和可變焦紅外鏡頭。

Min Seok Jang教授評論說：“這項研究顯示了可以獨立控制光的振幅和相位，這一直是光調製器技術的長期追求。使用複雜波前控制的光學器件的開發有望在未來變得更加活躍。 。”

這項研究的第一作者是威斯康星大學麥迪遜分校的博士生Sangjun Han和Seyoon Kim博士，該研究被髮表並被選為ACS Nano 1月28日版的封面，標題為“利用石墨烯等離子激發超分子可調電子完成複雜的振幅調製。”