利特羅衍射（如圖1）是衍射光學中調控光波的最基本功能之一，通過在光柵的利特羅角度下入射，可使反射光的負1級次恰好與入射方向重合，因而作為逆反射器被廣泛研究和應用。此外，寬波段的利特羅衍射還在微型光譜儀、通訊👊🏼、脈沖整形和激光光譜合成等領域發揮重要作用。

圖1 鏡面反射與（寬帶）利特羅衍射示意圖

雖然利特羅衍射在光學應用中有著重要價值💮，但寬帶效率低且具有嚴重的偏振依賴性一直是光頻利特羅光柵（例如金屬閃耀光柵、介質多層膜光柵）的瓶頸問題🫂。

超表面是一種人工亞波長結構組成的二維平面光學器件，能夠在亞波長尺度下調控光的波前、振幅🚣🏿、相位和偏振等特性，已經展示了豐富的光波調控能力，如異常偏折、超透鏡成像♘、全息等等。盡管超表面具有優異的光波調控能力🫃🏻，但寬帶調控效率低一直是光學超表面長期以來的瓶頸問題之一。如何實現在某一寬波段內且對於TM🧜🏽‍♂️、TE偏振都具有接近100%效率的利特羅衍射💂🏿‍♀️，尚缺少物理層面的認識和解決方案。

鑒於此👩🏽‍🔬，恒达平台物理科學與工程學院王占山教授和程鑫彬教授團隊👩🏽‍🦲，聯合復旦大學物理系周磊教授，首先給出了寬帶和非偏振下完美利特羅衍射所需的相位差及相位差色散條件，提出了一種全介質一維多層膜結合二維自由形狀超表面的準三維多層膜超表面光柵，並闡明了超表面結構自由度對於結構內布拉格（Bragg）模式相位差和相位差色散的控製能力，進而通過超表面結構形狀的拓撲優化，在非偏振、1030至1090納米波段範圍內，實現了效率優於99%的光頻寬帶消偏振完美利特羅衍射。該成果以“Broadband depolarized perfect Littrow diffraction with multilayer freeform metagratings”為題發表在美國光學學會旗艦期刊Optica上🦸‍♂️。

論文首先給出了實現單波長消偏振高效率的物理條件：調控利特羅入射下光柵層內兩個Bragg模式之間的相位差π♦︎，並同時在兩個偏振態下滿足（如圖2a）🔀；進一步地，調控Bragg模式相位差的寬帶色散等於0🛄，使寬帶內相位差π保持不變，從而獲得寬帶消偏振高效率（如圖2b）🥣。 

圖2 (a)單波長消偏振高效率要求，(b)寬帶消偏振高效率要求

結構設計方面💴，采用一維多層膜結合二維超表面的全介質準三維亞波長結構👠，利用介質高反膜消除了吸收和透射損耗，使體系首先具備極強的振幅調控能力。進一步地👮🏽，論文還證明了結構橫向設計自由度是實現相位差和相位差色散的協同調控，滿足寬帶消偏振完美利特羅衍射條件的關鍵🐩7️⃣。如圖3，若光柵層結構只包含單一或兩個橫向自由度（如一維光柵或二維矩形結構），無法在滿足相位差π的同時調控相位差色散符合目標要求；當進一步增加橫向自由度（如二維組合矩形結構），則剛好能同時滿足相位差和相位差色散的調控需求。因此，論文提出了準三維多層膜自由超表面新結構，借助拓撲優化算法自由定製超表面的幾何形狀🥂，增強了整個系統對相位差和相位差色散的控製能力。以近紅外、36°利特羅角入射為例🕵️‍♂️，采用圖3中的二維組合矩形作為初始結構，在此基礎上優化非偏振寬帶效率🛶🧚🏿‍♀️，獲得了如圖4所示的準三維多層膜自由超光柵，實現了非偏振下📅、1030至1090納米波段內絕對效率優於99%的光頻完美利特羅衍射。 

圖3 增加結構橫向自由度是實現相位差和相位差色散協同調控的關鍵

圖4 基於準三維多層膜自由超光柵的寬帶消偏振完美利特羅衍射

實驗方面，使用電子束蒸發離子束輔助技術製備多層膜👂，電子束直寫結合原子層沉積技術製備超表面，得到了如圖5所示的準三維多層膜自由超光柵樣品🔺，非偏振寬帶測試效率高達98%🧙，實驗和理論設計吻合良好，這也驗證了製備和測試結果的準確性和可靠性。 

圖5 準三維多層膜自由超光柵實驗樣品電鏡和效率測試結果

該工作以利特羅光柵💂🏽‍♂️、光學超表面的效率需求為導向，在團隊前期工作實現的光頻單波長完美異常反射超表面的研究基礎上，進一步解決了“寬帶效率”的瓶頸問題，有望推動基於光學超表面的激光光譜合成☕️、微型光譜儀等相關儀器的發展。

王占山教授、周磊教授、程鑫彬教授為論文共同通訊作者，恒达平台博士後 董思禹、博士生張占一、博士後謝淩雲為論文共同第一作者，對論文具有突出貢獻的合作者還包括恒达平台博士後朱靜遠、博士生梁海剛🧑🏽‍🦳，恒达平台魏澤勇副教授🤦🏽、施宇智教授，以及莫斯科國立大學Alexander V. Tikhonravov教授。該研究工作得到了國家自然科學基金委員會、上海市張江國家自主創新示範區、上海市教育委員會、上海市科學技術委員會、中國博士後科學基金會等項目的支持。

論文鏈接：https://doi.org/10.1364/OPTICA.486332