超表面（Metasurfaces）是由亚波长超原子组成的超材料的平面等效物，由于其易于制造和强大的波操纵能力，引起了广泛的关注。超表面在单独或同时控制电磁波散射振幅和相位方面具有灵活性，由于其在现代微波/光通信系统中的潜在应用，引起了科学界和工程界的极大关注。然而，到目前为止，所有预定的超表面功能都是在固定极化下实现的，这极大地限制了全波控制的自由度（DOF）。这就迫使我们将相位和偏振特性结合起来，实现精确的波前复用，这是电磁波的另一个重要自由度。

图1 a功能示意图和b所提出的任意自旋波前控制的万花筒型超表面复用器干涉原理。由于每个超原子的CP反射不对称，即自旋加速和自旋减速状态下的总吸收和总反射，产生的超表面复用器实现了CP波激励下隐身和无衍射贝塞尔波束波前的低雷达截面（RCS）的双重功能（图1a的左边）。自旋选择特性还可用于在LP波照明下灵活控制具有螺旋波前的多旋涡光束的数量（图1a的右面板）。工程相长干涉和相消干涉的关键是寻找一个由两个自旋态具有90°传播相位差和90°几何相位差的两部分组成的亚原子，如图1b所示。

极化/自旋和相位的同时操作，对于复杂的自旋和波前多路复用是非常有希望的，在实践中是非常具有挑战性的。在传统的方法中，必须将线性偏振器、波片和特定的相位延迟器（棱镜或透镜）组合在一起。这种级联光学器件的策略导致系统体积庞大并显示出低效率和低性能。尽管手性超材料被认为是极化操纵的潜在候选材料，但其均匀分布的周期结构限制了它们塑造所需波前的能力。新兴的螺旋度相关波前控制是由圆极化（CP）波发射的泛haratnam-berry（pb）相位实现的。然而，当入射波的自旋态发生变化时，由于反相廓线翻转，左手和右手CP波（LCP和RCP）的功能基本上被锁定。为了克服这些局限性，公开文献提供了三种途径：将整个超表面的传播相和几何相合并；将手性与几何相结合；利用超表面的非平面几何性，可以打破LCP和RCP波之间的对称性。然而，这些设计要么利用深度分离的两个或多层超原子形成垂直手性，要么获得不同模式的单一功能，这可能使设计复杂化。对自旋选择功能的物理学和标准的研究还处于起步阶段，解决方案仍然是难以捉摸的。

图2 利用自旋多重不对称反射表征亚原子

近日，新加坡国立大学和空军工程大学的研究人员提出了一种干涉辅助超表面复用器（meta plexer），它可以反直觉地利用混合超原子之间的相长干涉和相消干涉，实现独立的自旋选择性波前操作。通过两种由空间旋转各向异性超原子组成的单层自旋波前复用器，实验证明了这种万花筒型的超表面复用器。一种类型产生自旋选择性贝塞尔光束波前自旋减慢光和低散射截面隐形自旋加快光。另一种类型展示了对涡旋波阵面的多功能控制，它也以光的轨道角动量为特征，在线性极化波激励下，光束的频率可调。研究人员的发现为实现具有任意和独立自旋波前特征的先进多功能光子学提供了一个独特的干涉辅助概念。在没有级联庞大光学元件的光学二极管、隔离器和自旋霍尔元器件中，可以很容易地预期各种应用。相关内容以《nterference-assisted kaleidoscopic meta-plexer for arbitrary spin-wavefront manipulation》为题发表在《Light: Science & Applications》杂志上。

图3 第一个具有贝塞尔光束生成和RCS减小的超表面复用器的特性

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