能够独立控制光的振幅和相位的石墨烯等离子激发超分子的示意图。图片：KAIST
研究人员描述了一种设计超分子（metamolecule）的新策略，该策略结合了两个独立可控的亚波长亚原子。对超分子的这种两参数控制确保了对光的振幅和相位的完全控制。
KAIST研究小组与威斯康星大学麦迪逊分校合作，从理论上提出了一种基于石墨烯的有源超表面（metasurface），该表面能够独立地控制中红外光的幅度和相位。通过解决光振幅和相位的独立控制问题，这项研究为高分辨率调制中红外光波前（wavefront）提供了新的见识，这一直是一个长期的挑战。
光调制技术对于开发诸如全息照相、高分辨率成像和光通信系统之类的未来光学设备至关重要。液晶和微机电系统（MEMS）以前已被用来调制光。但是，这两种方法都受到驱动速度的显著限制，并且单位像素尺寸大于衍射极限，因此阻止了它们集成到光子系统中。
超表面平台被认为是下一代光调制技术的强大候选者。超表面具有天然材料无法拥有的光学特性，并且可以克服传统光学系统的局限性，例如形成超出衍射极限的高分辨率图像。特别地，有源超表面由于其具有电信号的可调光学特性而被认为是具有广泛应用的技术。
然而，先前的活性超表面受到光振幅控制和相位控制之间不可避免的相关性的困扰。此问题是由常规超表面的调制机制引起的。常规的超表面被设计成使得一个亚原子仅具有一个共振条件，但是单个共振设计固有的缺乏独立地控制光的振幅和相位的自由度。
该研究小组通过结合两个独立可控的元原子（meta-atom），制成了一个元单元，从而大大提高了活性超表面的调制范围。所提出的超表面可以以超出衍射极限的分辨率独立控制中红外光的振幅和相位，从而可以完全控制光波前。
研究小组从理论上证实了所提出的有源超表面的性能以及使用这种设计方法进行波前整形的可能性。此外，他们开发了一种分析方法，无需复杂的电磁模拟就可以近似超颖表面的光学特性。该分析平台提出了更直观，更全面适用的超表面设计指南。
博士生Sangjun Han（左），Seyoon Kim博士（中）和Min Seok Jang教授（右）。图片：韩国科学技术高等研究院（KAIST）
与现有的波前整形技术相比，预计所提出的技术能够实现更高的空间分辨率和精确的波前整形，该技术将应用于有源光学系统，例如中红外全息术，可用于LiDAR的高速光束转向设备，和可变焦红外镜头。
Min Seok Jang教授评论说：“这项研究显示了可以独立控制光的振幅和相位，这一直是光调制器技术的长期追求。使用复杂波前控制的光学器件的开发有望在未来变得更加活跃。 。”
这项研究的第一作者是威斯康星大学麦迪逊分校的博士生Sangjun Han和Seyoon Kim博士，该研究被发表并被选为ACS Nano 1月28日版的封面，标题为“利用石墨烯等离子激发超分子可调电子完成复杂的振幅调制。”
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