光學超表面（Optical Metasurface，以下簡稱“OMS”）是一種由人工微結構組成的超薄平面器件，由于其具有超薄結構和較強的可自主設計性，被視為光學領域新的革命性技術。近些年，各種OMS應用也不斷呈現出爆發式增長態勢。
對于高度集成的光學系統而言，高性能的光學偏振操控器是實現其小型化和功能多樣化的重要前提。通過改變OMS組成單元的幾何形狀和排布方式等，可以靈活地調控入射光的振幅、相位、偏振態和色散等參量。不過，由于OMS工作波長范圍（涉及共振）或雙折射調諧范圍的限制，想要實現高效、快速和寬帶的動態偏振控制，仍然是一個充滿挑戰的問題。
據麥姆斯咨詢報道，近期，來自南丹麥大學納米光學中心的研究團隊，通過將壓電MEMS薄膜與間隙表面等離子體（gap-surface plasmon，以下簡稱“GSP”）OMS相結合開發出電學動態MEMS-OMS系統，并基于此構建出一種雙折射可調諧動態波片（dynamic wave plate，以下簡稱“DWP”）控制器，該DWP偏振控制器具備高偏振轉換效率（~75%）、寬帶操作（~100nm附近工作波長為800nm）、快速響應（<0.4ms），且能夠沿著由入射光偏振和DWP方向確定的軌跡環繞龐加萊球（Poincare）實現全范圍連續可調的雙折射控制。該研究成果已發表在Nature Communications期刊。
該DWP偏振控制器對光束連續可調的控制效果得益于OMS的各向異性。該控制器由帶有OMS結構的玻璃基板構成，組裝在可移動的MEMS微鏡上，通過施加驅動電壓，可精確控制MEMS微鏡和OMS之間的分離，從而實現連續可調的雙折射控制。
基于電學動態MEMS-OMS系統的DWP偏振控制器
當DWP在MEMS微鏡中工作時，表現出連續可調的各向異性，能夠環繞龐加萊球，例如從線性偏振向圓、正交線性和相反圓偏振轉換。MEMS微鏡通過驅動電壓改變其與OMS之間的距離，以此控制DWP產生雙折射并不斷調整反射光的偏振態。例如，當一束偏振光入射到DWP上時，圍繞龐加萊球的不同偏振軌跡可作為不同的DWP方向，隨著驅動電壓的改變，反射光的偏振態也不斷發生調整。
相對DWP軸以45°方向入射線性偏振光發生的偏振轉換
除了評估DWP偏振可調諧性、偏振轉換效率和響應時間外，研究人員還將DWP與四分之一波片（QWP）結合，對其連續線性偏振旋轉的可能性進行了分析。研究表明該DWP偏振控制器的各項性能與仿真效果非常吻合，同時也證明了該建模設計方法可適用于未來各種MEMS-OMS控制器的開發。
固定角度入射線性偏振光發生的偏振轉換
多種角度入射線性偏振光實現的多樣化偏振轉換
該項研究成功展示了基于MEMS-OMS的DWP偏振控制器能夠對光偏振實現的動態控制。其設計開發策略為集成高性能、緊湊型動態偏振控制器開辟了新的路徑，將進一步推進可重構、自適應光網絡和光系統的小型化趨勢。
論文信息：
https://doi.org/10.1038/s41467-022-29798-0
