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为解决现有双层超表面存在的 Fresnel 反射、低模式限制和非预期共振等问题，研究人员开展了可见光波段自由站立双层超表面的研究。他们制备出由 TiO2纳米鳍构成的双层超表面，实现 80% 的衍射效率，推动了纳米制造和波前整形等领域发展。
在光的世界里，超表面作为一种神奇的 “光操控大师”，正逐渐改变着人们对光学器件的认知。超表面由亚波长间距的纳米散射体阵列构成，凭借着亚波长分辨率、易于集成和紧凑的尺寸等优势，成为了光学领域的研究热点。它能对光的自由度进行极端控制，在生物医学成像、光纤通信、空间领域感知以及增强现实 / 虚拟现实（AR/VR）等众多前沿领域展现出巨大的应用潜力。然而，就像任何新兴技术在发展过程中都会遇到挑战一样，超表面也面临着一些难题。
单一层的超表面在功能实现上存在着一定的局限性。从光学原理上来说，光与单一平面的相互作用所能实现的功能是有限的，就好比用一把钥匙只能打开一把锁，功能太过单一。例如，想要实现高效的任意复振幅调制、空间模式复用以及将多束光精确地对齐成共线光束等复杂功能，单一层超表面往往无能为力。为了突破这些限制，科学家们将目光投向了多层超表面。
多层超表面，尤其是双层超表面，为实现更复杂的波前整形和更多样的功能提供了可能。它就像是给超表面增加了更多的 “魔法工具”，每一层都可以作为一个独立的设计变量，从而实现更强大的功能。然而，之前的双层超表面在实际应用中却遭遇了重重困难。以往的实现方式，比如堆叠多层超表面、在基底两侧图案化超原子或者将双层结构嵌入包层中，这些方法要么会受到不期望的 Fresnel 反射和 Fabry - Perot 共振的影响，就像在镜子上蒙上了一层雾，使光学性能大打折扣；要么会因为纳米结构与周围环境之间的折射率对比度较低，导致允许的相位覆盖范围减小，相邻超原子之间还会产生不期望的耦合，就像不同乐器的声音相互干扰，破坏了原本想要的 “光学旋律”。
在这样的背景下，哈佛大学约翰?A?保尔森工程与应用科学学院等机构的研究人员决心攻克这些难题。他们开展了关于可见光波段自由站立双层超表面的研究。研究人员成功制备出由自由站立的二氧化钛（TiO2）纳米鳍直接堆叠而成的双层超表面，其总厚度为 1200nm，每一个纳米鳍的高度为 600nm。这种结构通过与周围环境形成高折射率对比度，实现了每层独立的 0 - 2π 相位覆盖。
这项研究成果意义重大。它为纳米制造领域带来了新的突破，推动了复合元光学的发展。同时，在波前整形、超表面集成和极化控制等方面也开辟了新的方向。其研究成果发表在《Nature Communications》上，引起了广泛关注。
在研究过程中，研究人员主要运用了以下关键技术方法：首先是电子束光刻（EBL）技术，通过它来精确地定义超表面的图案；接着采用原子层沉积（ALD）技术，用于在图案中填充 TiO2材料；最后利用远程氧等离子体灰化技术，去除光刻胶，得到所需的双层超表面结构。
下面来详细看看研究结果：
- 制备技术（Fabrication technique）：研究人员利用类似镶嵌工艺来制备单层 TiO2超原子，通过电子束光刻在光刻胶上形成垂直的纳米孔，再用 ALD 填充 TiO2，最后去除多余的介质膜和光刻胶。在制备双层结构时，选择合适的光刻胶和显影液，使得在曝光上层光刻胶时，下层光刻胶不受影响，从而实现选择性显影，成功制备出双层纳米结构。
- 双层几何相位超表面操作（Bilayer geometric phase metasurface operation）：几何相位（PB 相位）超表面通常在圆偏振光下工作，而研究人员通过堆叠两个四分之一波片（QWP）纳米鳍，实现了在线偏振光基础上的 PB 波前整形。当线偏振光依次通过上下两个纳米鳍时，其偏振态在庞加莱球上会沿着特定路径变化，最终获得与纳米鳍相对旋转角度相关的几何相位。
- 实验表征（Experimental characterization）：研究人员设计并制备了两种超表面器件，一种是 1D 反射闪耀光栅，另一种是 2D 反射轨道角动量（OAM）板。对于 1D 反射闪耀光栅，在 560nm 波长下，x 偏振光和 y 偏振光分别被偏转到 - 1 级和 + 1 级，在该波长下的衍射效率达到 80%，在 520 - 580nm 频率范围内，平均衍射效率接近 60%。对于 2D 反射 OAM 板，它能将线偏振光转换为具有特定拓扑电荷的涡旋光束，实验验证了其在不同波长下的波长无关响应，并且通过计算有效拓扑电荷和干涉测量，证实了产生的涡旋光束具有预期的拓扑电荷。
研究结论和讨论部分指出，超表面虽然被视为超材料的平面等效物，但单一层超表面在实现高衍射效率、宽带操作和多功能性方面仍面临挑战。而垂直集成的双层超表面为解决这些问题提供了新的途径。它不仅为极化控制带来了新的可能性，通过实现不对称的琼斯矩阵，还为色散工程增加了自由度，实现了更通用和多功能的响应。此外，该研究的方法还可以推广到实现多层平面光学，为未来的光学器件设计和制造开辟了广阔的前景。这项研究成果有望推动包括全息术、结构光、遥感、光束转向和非对称传输操作等在内的极化光学和波前整形应用的发展，为相关领域的技术革新奠定了坚实的基础。
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