光学超表面是一种亚波长量级的纳米结构（超原子）阵列。通过操控入射光与超原子之间的相互作用，光学超表面能够在空间上精确地调控入射光的波前。与其他传统光学器件相比，光学超表面具有轻量化和易于集成等优势，因此在光学传感、全息显示以及光学成像等领域得到了广泛的应用。

一般而言，通过设计超表面中每个超原子的局域光学响应，构建空间相位梯度超表面，可以对光的波前进行调控。然而，这样的局域光学响应往往会导致较低的光谱分辨率。近年来，光子晶体结构中的导模谐振展现出了较高的品质因子和优异的光谱分辨率，为空间和光谱两个维度上的高分辨率波前调控提供了有效的解决方案。然而，导模谐振由于依赖于众多相邻的超原子在空间上的集体响应，因此会产生强烈的邻近耦合效应。这种邻近耦合效应会引发波前调控效率的降低，并导致波前变形，极大地限制了导模谐振相位梯度超表面在复杂波前调控（如结构光）方面的应用。

针对上述问题，中国科学院苏州纳米所张兴旺团队通过打破超原子的面内对称性，在超表面中引入双折射导模谐振（图1a）。这样的双折射导模谐振能够共振增强（共振减小）超原子长轴（短轴）的有效折射率（图1c），产生显著的相位延迟（图1b），从而能够实现具有较高光谱分辨率的交叉偏振转换（图1d）。在此基础上，利用几何相位原理可以实现对入射光相位调控的全2π相位覆盖（图1f）。同时，这种双折射导模谐振不但实现了有效的交叉偏振转换，而且增强了邻近耦合效应的鲁棒性（图1e）。因此，凭借其高效的交叉偏振转换和良好的鲁棒性，双折射导模谐振相位梯度超表面在实验上实现了光束异常偏折、超透镜和涡旋光束的产生（图2）。

图1. 双折射导模谐振相位梯度超表面的工作原理

图2. 基于双折射导模谐振相位梯度超表面的波前调控示意图

该工作以Resonant 2D Wavefront Manipulation via Birefringent Guided-Mode Resonances in Dielectric Phase Gradient Metasurfaces为题发表在Laser & Photonics Reviews上。中国科学院苏州纳米所博士研究生廖银昌和博士后夏梦为论文的共同第一作者，张兴旺研究员为论文通讯作者，该研究获得了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的支持，同时也得到了中国科学院苏州纳米所纳米真空互联实验站（Nano-X）、纳米加工平台的支持。