董建文教授团队在克服角度-波长的光谱锁定机制上取得重要进展

       中山大学物理学院、光电材料与技术全国重点实验室董建文教授团队，提出了调控Fano共振光谱的辐射单向性新自由度，基于双层错位超构光栅克服了周期体系内禀的角度-波长锁定机制。团队发展了高精度的双层微纳光栅制备工艺和辐射单向性的显微角分辨测量技术，并在实验上首次展示了具有“空间频率-光谱频率”联合选择性的高对比度成像。该工作不仅为独立调控角度和波长这一基础性难题提供了创新方案，也为AR/VR显示、光谱成像、相干热辐射、先进半导体制造等技术应用提供了新思路。

       波长和传播方向（角度）是光的两个基本属性，实现特定波长和特定角度的选择性是丰富光学应用场景背后的物理基础。由于周期体系具有内禀的色散特性，共振光谱中角度和波长存在固有的锁定关系。因此，在人们的传统认知里，光入射角度改变伴随光学器件滤波波长改变是普遍的物理规律。共振光谱中角度和波长的锁定关系使得独立操控角度和波长成为难题，也为光学应用设置了基础性限制。例如，AR光波导中色散光谱导致的彩虹纹，大视场成像时横向色散引起的质量劣化，光探测器的角度串扰降低计算光谱重构的准确度，高效率定向发光光源的设计等。

研究团队发现光学模式辐射单向性是解决这一基础性问题的关键。他们发现辐射单向性好比一块神奇的橡皮差，使得我们能够精准地擦除色散曲线上光的反射痕迹，诱导“消失”的光谱。通过理论分析，研究团队给出了辐射单向性设计共振光谱的完整相图，阐明了空间反演对称性和光学模式的辐射高单向性是实现共振光谱角度和波长解锁的关键物理基础。研究团队进一步在双层超构光栅体系中引入错位自由度，保留空间反演对称性的同时，打破纵向镜面对称性，对辐射单向性的角度依赖特性进行精细化设计，理论预言了仅在零角度以及中心波长附近发生共振反射。类似地，研究团队对一般角度和一般波长的联合选择性也给出了相应的理论设计。

另一方面，控制超薄间隔层（~ 30 nm）的平整度和精细错位距离（~ 30 nm）是实验制备面临的核心挑战。针对这一难题，研究团队经过持续多年的技术迭代，自主发展了“多次刻蚀-间接测量-再沉积”的间隔层厚度控制工艺和双层精细对准的套刻工艺，成功制备了工作在近红外波段的高质量双层错位超构光栅样品。该工艺具有间隔层平整且厚度可控，双层对准精度约10 nm，间隔层材料不受限的优势，为构建多样化的双层实验研究平台奠定了基础。

基于该样品，研究团队实验验证了零角度以及中心波长的联合光谱选择性。同时研究团队对样品的辐射单向性进行了光学显微角分辨测量。他们结合时域耦合模式理论和正交偏振测量方法，实验定量测量了共振模式辐射的单向性。进一步，他们在国际上率先开发了毫米量级的高精度双层超构光栅，并成功演示了同时在0°和1342 nm实现空间频率和光谱频率选择性的高对比度成像功能，为紧凑式光成像与光计算提供了新的可能性。

相关研究成果以“Overcoming intrinsic dispersion locking for achieving spatio-spectral selectivity with misaligned bilayer metagratings”为题，于2025年7月8日发表于国际顶尖光学期刊eLight（影响因子32.1，位于国际光学领域第二，入选两期卓越计划）。我院博士毕业生庄泽鹏（现为复旦大学博士后）、周鑫（现就职于广东光电企业）、2024级在读博士研究生曾浩龙为共同第一作者，复旦大学周磊教授和中山大学董建文教授为通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金重点项目、首批广东省自然科学基金卓越青年团队的大力支持。

论文链接：

https://elight.springeropen.com/articles/10.1186/s43593-025-00092-y