光学超表面是一种精细的二维人工纳米结构，由精心设计的超薄人工原子阵列构成。它能够实现对电磁波的多功能操控，具备自然材料无法实现的能力。通过设计人工原子的形状、尺寸、旋转和位置，光学超表面可以以亚波长的空间分辨率精确操控电磁波，在光子学领域具有广阔的应用前景。

在众多应用中，基于光学超表面的偏振态操控已被广泛研究。偏振编码多功能超表面的发展代表了光学技术的一次飞跃，能够在单一超表面中结合更广泛的功能。这种偏振编码集成是通过创新的人工原子设计并且巧妙交织不同超表面所实现的，预示着光子学新时代的到来，超表面作为多用途平台用于多种光学应用，体现了向更集成和动态可控光学元件持续进步的趋势。尽管目前基于光学超表面的偏振态调控已经取得了显著进展，但目前大多数超表面仅限于生成分布在少数几个通道中的有限偏振态。关于以可控的方式同时产生多通道全偏振态（例如左旋与右旋圆偏振光、不同偏振方向的线性偏振光）的方法，以及能够在不同通道中实现可切换偏振态的方法到目前为止报道甚少。

针对上述问题，南丹麦大学Sergey I. Bozhevolnyi教授和丁飞副教授团队提出了一种反射式金-二氧化硅-金等离子超表面，通过随机排布六个不同的超表面区域，可以将产生的多个不同的偏振态以不同的反射角度同时输出与采集。该设计方法能够在所有偏振通道上实现多方向波束的操控，并且可以通过切换入射圆偏振光的自旋态来改变输出通道中的偏振态。该设计中包含一个纳米砖形状的半波片和四个纳米十字形状的四分之一波片。半波片可以实现将左旋圆偏振光转化为右旋圆偏振光，或者将右旋圆偏振光转化为左旋圆偏振光。这里的半波片以45°的角度增量旋转，从而产生几何相位梯度，实现与入射圆偏振光同偏振态的输出光的反射角度分离。以特定角度旋转的四分之一波片可以将入射的圆偏振光转化为不同角度的线性偏振光输出。同时四分之一波片通过提供线性相位梯度，将圆偏振光转化为不同角度的线性偏振光（例如0°，45°，90°和135°线性偏振）并以不同的反射角度输出。因此，集成上述纳米波片并设计不同的转角，可以实现多通道全偏振态的同时输出。此外，利用南丹麦大学纳米光学中心先进的微纳加工与表征平台，研究团队对上述设计的超表面进行了实验验证。

图1 用于产生全偏振光的等离子体超表面概念

这项科研工作不仅标志着偏振光学领域的重大进步，还为开发紧凑、高效且功能强大的光学设备铺平了道路。通过利用这些纳米级波片的独特性质，为探索从成像和传感到通信及其他高级光学应用开辟了新的途径。这项技术展现了实现复杂光学系统的光明前景，这些系统可以动态控制，从而增强光学元件在众多学科中的多功能性和器件性能。