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22
2025
-
05
大角度入射下的宽带完美Littrow衍射超表面
作者：
在激光技术领域，Littrow衍射设备因其高效率而被广泛应用于激光共振腔和光谱仪设备中。然而，传统衍射设备在大角度入射下往往难以实现宽带、高效率衍射，这限制了其在高集成度和复杂功能光学系统中的应用。近期，发表在 Nanophotonics[1] 上的一篇研究文章提出了一种新型超表面结构，成功实现了在大角度入射下的宽带完美Littrow衍射，为解决上述难题提供了新的思路。
文章提出一种超构光栅和非周期多层膜构成的Littrow衍射超表面，通过非局域响应解决大角度入射时的能量流失配问题。详细阐述超表面理论，分析Littrow和非Littrow条件下的能量流分布及完美异常反射条件。设计了基于超构光栅的宽带反射器，结果显示超构光栅可以增强对Bloch波的控制，经PSO优化后在3.11μm - 3.52μm实现99%效率的宽带完美异常反射，由于其强烈的非局域效应，带宽比基于周期光栅的反射器增加46%。
文章基于Huygens - Fresnel原理，通过控制超表面上方的场分布（能量流分布和Poynting矢量）间接影响反射。入射光在光栅内激发Bloch波，分离层存在传播波和倏逝波，系统横向能量流传输主要靠分离层与光栅界面多次散射，研究过程忽略倏逝波。
通过上述分析，研究人员在设计过程中，先固定多层膜厚度，扫描结构线宽和高度，找到与目标能量流匹配的参数作为初始解，再用粒子群优化（PSO）算法优化非周期薄膜厚度和结构线宽。多层膜主要影响传播波能量流，上层结构控制Bloch波能量流 。Littrow条件下，传播波能量流为零，主要避免Bloch波产生非局域效应；偏离Littrow条件时，传播波能量流增加但控制能力有限，Bloch波仍起决定性作用，需增强非局部效应可以满足完美衍射要求。
该研究成功设计了非局部超表面，实现70°入射下宽带完美Littrow衍射，相比现有研究在入射角、带宽和效率方面有优势。通过这种新型超表面结构，研究团队不仅突破了传统衍射设备在大角度入射下的带宽限制，还为未来光学系统的设计提供了新的可能性。这种超表面结构在实际应用中具有广阔的前景，有望推动相关技术的发展。
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