熱致形變雙工全息超表面：PMMA溫控介電層實現共振模式重構與自適應成像

一、前言

動態調控超表面的光學特性是當前光子學領域的前沿研究方向，溫度作為非接觸式、高靈敏度的外部激勵源，為超表面功能的實時重構提供了獨特優勢[。超表面作為亞波長人工結構陣列，通過精準操控電磁波的振幅、相位及偏振態，已廣泛應用于全息成像、光束整形和光學加密等領域。然而，傳統超表面多依賴靜態幾何設計，其功能固化的特性限制了在動態可調諧場景中的應用。近年來，研究者致力于開發基于相變材料[2、液晶或熱響應聚合物的動態超表面，溫度調控因兼具高時空分辨率和環境兼容性而備受關注。現有研究多聚焦于單一共振模式的溫度響應，如何通過材料一結構協同設計實現多模態共振的動態切換，仍是亟待解決的挑戰。

本研究摒棄傳統相變機制，創新性地提出基于共振模式切換的溫控策略，使得超表面的設計更加簡單。聚甲基丙烯酸甲酯作為一種光學透明聚合物，因其優異的光傳輸性、可調折射率及顯著的熱膨脹系數，成為溫控光子器件的理想候選材料。

本研究提出一種熱致形變雙工全息超表面，通過集成PMMA溫控介電層與金屬一介質一金屬（MIM）三層異質結構，突破傳統超表面單一調控維度的限制[3]。

本研究揭示了PMMA熱致形變與超表面多共振模式的耦合機制，為動態光子器件設計提供新思路；開發了雙工全息超表面，拓展了溫度維度在光學信息存儲與自適應成像中的應用場景。

二、理論與仿真設計

本研究采用周期性亞波長結構陣列，其創新性體現在引入聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）作為溫控介電層，通過其熱致形變特性實現全息模式動態切換。超表面在不同溫度下獲得不同的高度，從而引起不同的共振模式，呈現出不同的全息效果圖。功能示意圖如圖1（a）所示，當y極化波激勵時，常溫下可以呈現出字母“Z”全息圖，溫度變化后可以呈現出字母“J”全息圖。單元結構俯視圖如圖1（b）所示，側視圖如圖1（c）所示。單元結構的周期 ，金屬結構層的長軸為a，短軸為

Pancharatnam-Berry（PB）相位是一種幾何相位，其本質源于量子力學中絕熱演化的Berry相位在經典光學中的推廣。當光波在參數空間（如偏振態或結構取向）經歷非循環演化時，即使系統最終回到初始狀態，仍會積累一個與路徑曲率相關的相位差。這一相位僅依賴于參數空間的幾何特性，而非演化時間或動力學過程，因此具有非色散特性。相較于傳統動力學相位（與光程或折射率相關），PB相位為相位調控提供了與波長無關的解決方案。對于均勻平面波垂直入射至超表面的情形，單元結構的旋轉角可通過坐標變換作用于其傳輸矩陣。

（a）全表面功能示意圖，（b）單元結構俯視圖，（c）單元結構側視圖若單元結構沿 z 軸旋轉角，則傳輸矩陣滿足式（1）：

此變換保證了傳輸矩陣在旋轉坐標系下的協變性。為實現線偏振光至圓偏振光的基矢轉換，需引入么正變換矩陣：

其物理意義是將線偏振基矢 映射到圓偏振基矢（左旋、右旋）。此時，圓偏振基矢下的傳輸矩陣為：

在此矩陣中，將交叉偏振透射系數 和 設置為0，并且將共偏振透射系數 ，則上述透射矩陣可以改寫為下式：

由此發現，當入射場為圓偏光，透射場變為交叉圓偏振態時，滿足 和 的關系。入射光的相位就可以通過旋轉超表面單元的角度來控制。如果單元結構旋轉的角度，則透射波將產生2的附加相位。

該相位與單元旋轉角呈線性關系，且完全由結構的幾何對稱性決定，與波長無顯式關聯，因此適用于寬帶器件設計。

本研究通過電磁仿真軟件CSTMicrowaveStudio設計優化后得到一種可行的較為優秀的實施方案：常溫下，改變參數長軸a、短軸b，獲得四位編碼單元，且每位編碼單元相位相差 （編碼單元數據如下，單元結構 ；單元結構 ， ；單元結構 ， ；單元結構 ， ）升溫后，通過改變單元結構轉角獲得PB相位，進而獲得二位編碼。利用得到的超表面單元結構進行超表面的排列，超表面由 4 0 × 4 0 共1600個單元結構組成。

在常溫條件下（ ，本研究選取 （對應波長 ）作為基準頻率，優化四種單元結構的幾何參數），實現全息編碼的相位調控。如圖3（a）所示，四類單元結構在無旋轉狀態下呈現 相位梯度，滿足二位編碼對[0，2]相位覆蓋的需求。共極化振幅分析表明，在 頻點，四單元的共極化透射率均高于0.5（txx ，如圖3（b）所示。而交叉極化響應低于0.5（ ）可忽略，如圖3（c）所示，其物理機制可歸因于法布里一珀羅共振的強局域場增強效應，確保全息成像的相位純度，證實了其作為高純度相位調制器的可行性。值得注意的是，當單元結構繞法線軸旋轉角度 時，其共極化相位分布與未旋轉狀態完全一致，如圖3（d）所示，表明幾何旋轉對法布里一珀羅共振的相位積累無顯著影響。這一特性為溫度切換編碼提供了額外的自由度，充許通過單一物理操作（如旋轉）實現編碼策略的簡化。

升溫后，為避免因熱致折射率漲落引起的相位噪聲，編碼策略簡化為一位二進制模式：通過單次旋轉實現 與 雙相位調制。該設計通過抑制高階衍射，顯著降低了相干偽影對全息成像對比度的影響，同時維持了編碼效率。升溫后，4種單元結構在未旋轉時與 處的交叉極化相位重合，如圖4（a）所示。交叉極化的振幅能維持一定的強度，如圖4（b）所示，基本位置在0.5以上，而共極化振幅顯著衰減，如圖4（c）所示。因此，在850THZ處，單元結構主要發生表面等離子體共振，表面等離子體共振主導的電磁響應導致共極化相位分布偏離編碼約束，故共極化的相位不滿足成像條件。使用PB相位即可實現 至 相位跳變，滿足一位編碼需求，如圖4（d）所示。這一設計不僅規避了共極化相位噪聲，還通過SPR增強的局域場效應，顯著提升了高溫下全息圖像的邊緣銳度與信噪比。

上述結果表明，基于幾何參數與旋轉自由度協同調控的編碼策略，可在多物理場耦合條件下實現全息模式的高魯棒性切換，為動態超表面設計提供了普適性框架。

通過優化超表面的結構設計，成功實現了在不同溫度下呈現不同的全息圖像。超表面能夠在常溫下利用共極化呈現字母“Z”的全息圖，如圖5（a）所示，而在升溫后利用交叉極化呈現出全息圖字母“J”，如圖5（b）所示。

三、結語

本文提出了一種基于聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）熱致形變特性的雙工全息超表面，通過溫度調控實現法布里一珀羅共振與表面等離子體共振的動態切換。常溫下，超表面利用四位相位編碼生成高純度全息圖像（字母“Z”）；升溫后，PMMA熱膨脹觸發單元旋轉，簡化為二位編碼并通過交叉極化維持高溫成像（字母“J”）。結合PB相位理論與電磁仿真優化，該設計在 4 0 × 4 0 單元陣列中實現了共振模式的高魯棒性重構。研究表明，交叉極化策略有效抑制相位噪聲，增強高溫成像銳度與

圖4升溫后單元結構的振幅與相位（a）單元結構的交叉極化相位，（b）單元結構的交叉極化振幅，（c）單元結構的共極化振幅，（d）單元結構00在2種轉角下的交叉極化相位

（a）常溫下，全息結果字母“Z”，（b）升溫后，全息結果字母“J”

信噪比。該研究突破了傳統超表面單調控維度限制，為智能傳感、動態光子器件及高密度光學存儲提供了創新思路。

參考文獻

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作者單位：浙江工業大學物理學院

責任編輯：張津平尚丹