近日，丹麦南方大学的研究团队发表了一项创新研究，宣布他们成功研发出一款新型的可调谐双层拓扑MEMS超表面。这种超表面可以通过电动调节，实现完整的反射相位变换和双态功能切换。该工作以“MEMS-tunable topological bilayer metasurfaces for reconfigurable dual-state phase control”为题，发表在《Optica》上。
当前，光学超表面（MS）因其在操控光场方面的出色能力而备受关注，但大部分现有的可调谐超表面仅能实现单一功能。研究团队通过在双层等离激元超表面（BMS）中集成薄膜压电MEMS镜片，开发出了一种全新的双层可调谐拓扑MEMS-BMS平台。通过调节MEMS镜片间距，该平台能够实现完整的反射相位变换以及基于相位奇点位置变化的双态功能切换。这种双层拓扑结构能在850纳米波长下实现约25%的衍射效率，并展现出约5微秒的响应速度。
在实际应用中，团队利用MEMS-BMS平台成功设计了可重构的衍射光栅和可调谐涡旋相位板。通过电驱动的MEMS镜片调整，他们不仅实现了衍射光束在±1阶之间的切换，还生成了带有可切换拓扑电荷的涡旋光束。这种光束的拓扑电荷能够在±1之间切换，进一步展示了MEMS-BMS平台在光学相位调控上的多功能性和高灵活性。
具体工作原理
MEMS-BMS超表面的工作机制依赖于双层等离激元超表面的分层结构和电动MEMS镜片的调节。该超表面包含两层超表面（MS1和MS2），并通过SU-8聚合物隔离层相隔开来形成一个多层结构，当MEMS镜片位置在不同的间隙（Ta）时，这两层表面产生不同的光相互作用。
具体来说，当MEMS镜片调节到不同的间隙（例如Ta = λ/4或λ/2）时，MS1和MS2分别会被置于干涉图案的不同位置，从而实现双态的相位控制。这些干涉最小值和最大值分别在特定位置处影响光的反射，相位响应完全由上层的MS1控制，而当MS2离开干涉最小值位置时，MS1和MS2都会对反射相位产生影响，从而形成可以切换的光学相位。
通过调节MEMS镜片的位置，研究团队能够在两个主要状态之间切换，每个状态的相位响应分别由单独的超表面层控制或由两层共同控制。这样可以实现灵活的相位变换，例如在MEMS-BMS的双态操作中，能够实现可重构的光栅和涡旋光束生成，从而进一步扩大MEMS-BMS在光学相位控制中的应用。
前景
此次研究展示了MEMS-BMS平台的多功能性，开创了基于动态拓扑相位控制的光学超表面的新方向。未来，这一平台有望推动多功能和多通道可调谐拓扑超表面的应用发展，为光学通信、激光雷达以及智能显示等领域提供新思路。
论文链接：
https://doi.org/10.1364/OPTICA.529075
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