光电工程
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中国科学技术大学黄坤教授团队设计并实验验证了一种高性能红外超构表面激光分束器，旨在解决传统达曼光栅无法实现等角度间隔分束和低衍射效率的问题。该分束器工作在1550 nm，能够在70°视场角内实现41束等角度间隔分束激光，理论衍射效率高达84%，高于传统达曼光栅及其他二元相位器件。
封面文章 | 夏睿星，赵东，李子勤，等. 大视场角、等衍射角间隔的矢量超构表面分束器[J]. 光电工程，2024，51(8): 240141.
第一作者：夏睿星
通信作者：黄坤
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研究背景
随着自动驾驶技术的快速发展，激光雷达（Light Detection And Ranging，简称LiDAR）的作用越来越突出。激光雷达通过主动发射激光照亮周围环境并测量激光反射回波得到实际距离，可以获得比摄像头等被动探测方案更为精确的距离信息。目前商用的激光雷达有单线至128不等的线束数，其中高线数的激光雷达可以实现更高的分辨率和帧率。多线激光雷达通常利用达曼光栅来实现激光分束。然而达曼光栅是一种周期性衍射光学器件，它遵循光栅方程，使得各衍射角的正弦值满足等差数列。这意味着达曼光栅无法实现等角度间隔的光束分割，同时其二元位相分布决定了其衍射效率不超过81%。这些局限性直接影响了激光雷达的性能，尤其是在自动驾驶汽车等应用场景中，对精度和可靠性有着极高的要求。
超构表面是具有亚波长特征尺寸的衍射光学器件，可以调控光的振幅、相位、波长及偏振等参数。为了突破周期性光栅分束器衍射角的局限性，需要非周期性的波前调制。超构表面具有灵活的二维空间结构分布，完美契合了分束器非周期性波前相位调控的需要。同时，超构表面有相位连续调控能力，其理论最大衍射效率为100%，可突破二元相位器件的衍射效率极限。
关键进展
针对上述问题，中国科学技术大学黄坤教授团队设计并实验验证了一种高性能红外超构表面激光分束器，旨在解决传统达曼光栅无法实现等角度间隔分束和低衍射效率的问题。如图1，该分束器工作在1550 nm，能够在70°视场角内实现41束等角度间隔分束激光，理论衍射效率高达84%，高于传统达曼光栅及其他二元相位器件。该工作以“大视场角、等衍射角间隔的矢量超构表面分束器”为题作为封面文章发表在《光电工程》2024年"矢量光场调控"专题。
图1 设计的超构表面分束器原理图及其与达曼光栅的对比示意图
为了实现角度等间隔的分束，需要突破周期性的限制。角谱法可以利用离散傅里叶变换计算远场的角响应。作者提出扩大衍射计算窗口以减少傅里叶变换的频率间隔。通过使用更细的频率网格，构建了一个具有等角度间隔分束的远场角目标函数。作者将评估函数设为均方根误差和衍射效率的线性组合。该评估函数设置兼顾了误差控制和器件的衍射效率。作者利用随机搜索优化算法优化得到了图2的模拟结果。图2显示超构表面分束器可以在70°视场角内生成41束光束，各光斑强度归一化标准偏差为0.011，理论衍射效率达到84%，高于二元相位器件的衍射极限。
图2 (a-b)分束器的远场光强分布。蓝色实线为仿真结果，橙色虚线为强度优化目标
实验结果如图3所示，该分束器能够有效地将入射光均匀分割成41束，实验测得的光束功率标准差为0.179，功率较为均匀。各光斑水平的半高全宽平均为0.143°，接近衍射极限，具有良好的性能。
图3 相机采集的不同衍射级次的41束光斑。每个光斑裁切为3 mm大小的方块后拼接在一起。相机距离分束器40 cm
该工作得到了国家重点研发计划（高动态彩色激光全息三维显示关键技术研究，2022YFB3607300），国家自然科学基金（光学图像信息处理及显示，62322512），中国博士后科学基金资助项目（基于超表面的光学全息存储技术研究，2023M743364）的资助。
研究团队简介
黄坤教授领导的纳米光子学课题组长期致力于微型光学成像、全息显示及应用等领域的前沿研究。该团队利用微型光学成像系统的点扩散函数（Point Spread Function, PSF）工程，在扫描成像（“点”型PSF）、卷积成像（“矩阵”型PSF）、全息成像（“面”型PSF）等多个方向上取得了显著成就。团队成员包括多位博士研究生和博士后研究人员，在超构表面光学、纳米全息及显示应用、无荧光超分辨远场成像以及纳米加工等方面拥有丰富的研究经验和技术积累。
团队负责人黄坤教授是国家自然科学基金优秀青年科学基金获得者，国家重点研发计划青年项目首席科学家。黄坤教授以第一作者或通讯作者的身份在Nature Communications、Advanced Materials、ACS Nano、Light: Science & Applications、Nano Letters等顶级学术期刊上发表了多篇高影响力论文，论文引用超4800次。已申请或授权专利11项，其中3项专利已转让。他还担任括科技部、国家基金委和教育部的评审专家以及Sicence合作期刊Adv. Dev. Instrumen.的副主编等。
黄坤研究团队合照
第一排左起：Syed Yasir Azeem，芦雨泽，何俊，黄坤，夏睿星，饶庆宏；第二排左起：文武，连泓坤，李子勤，赵东，王恒毅
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光电工程
《光电工程》（Opto-Electronic Engineering）创刊于1974年，由中国科学院光电技术研究所和中国光学学会主办，是中文核心期刊和中国科技核心期刊，被Scopus、CA、JST以及CSCD、CSTPCD、CNKI等国内外数据库收录，受到了国家自然科学基金委和中国科协相关项目的支持，并入选了“西牛计划”精品中文科技期刊。本刊一直致力于光电工程领域的科研报道和学术交流，主要刊登光电领域的科研进展、原创成果以及综述，并针对热点问题和前沿课题出版相关专题。
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编辑 | 曾晚婷 张诗杰
审核 | 杨淇名
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