振幅、相位、偏振和频率是描述光波电磁场的四大参量。基于这四个光参量的调控主导着几乎所有的光学元器件研究。然而，传统光学元件一般只能对其中一个光参量进行调控，比如透镜对相位调控、传统全息片对振幅调控、液晶器件对偏振调控、非线性器件对频率调控等。实现多个光参量的独立调控无疑将使光学元器件的功能更加强大、信息密度更高、安全性更好。

超表面 (metasurface)强大的光参量调控能力为光器件的多功能平面集成提供了有力的保障。目前，利用超表面实现 “多合一”功能平面集成的通用做法是“空间拼接”或“交错排布”：即在超表面不同空间区域划分不同功能区或整体交错排布，以实现不同功能的混合集成。然而，由于光在传输过程不能自主选择功能区，因此这些方法将使器件不同功能之间在设计中相互制约、并产生干扰：即虽然实现了多功能集成，但单个功能器件的性能却出现明显的下降，体现在效率、分辨率、串扰、调控范围等指标上不尽人意。

实现高质量的多功能集成意味着需要解耦(de-couple)光参量，即实现不同光参量的独立操控、且分别提取信息。理论上讲，每解耦一种光参量，器件信息密度最高将提升一倍。但光参量在本质上是相互关联、相互制约的，要实现“解耦操作”，除了方法创新之外、还需要探索新的物理学机制。

针对上述难题，武汉大学郑国兴课题组、中国信息通信科技集团、国家信息光电子创新中心及鹏城实验室余少华院士课题组、以及其他境内外合作者在基于超表面的多光参量解耦的合作研究中，利用所发现的纳米结构转角简并性(orientation degeneracy)，实现了光波的光谱、振幅和相位的精细化解耦操作。

简并性(degeneracy)是一个被广泛应用在物理、生物、医学以及数学领域的概念。如在量子力学领域，一个能级与一种以上的状态相对应，称之为简并能级；分子生物学中，同一种氨基酸具有两个或更多个密码子的现象称为密码子的简并性。即描述同一个映射结果下的多种状态，称之为简并性。

近年来，基于经典光学里马吕斯定律(Malus law)的振幅调制逐渐成为超表面新的研究热点，由其构造的振幅型器件具有亚波长分辨率、连续及任意调制等突出优点。我们在研究中发现，马吕斯定律中也存在简并性：即两个甚至多个不同的纳米结构转角对应于同一振幅值。因此，我们可以在不影响振幅调制的前提下、让纳米结构同时具备二台阶或四台阶几何相位调节的功能，从而发掘出纳米结构中崭新的设计自由度。

基于此背景，课题组首先利用纳米结构转角简并性原理，仅需单胞元、且相同大小的纳米结构即可实现振幅和相位的“双解耦”操作，得到“二合一”的多功能平面集成器件[Light Sci Appl 9, 101 (2020)]；再通过改变纳米结构大小调控偏振态，实现了偏振、振幅和相位“三解耦”操作[Laser Photonics Rev 14(6), 2000032 (2020)]；最后，利用变尺寸纳米结构调控超表面光谱响应，再融合马吕斯定律调控振幅、以及转角简并性调控几何相位，实现了光谱、振幅、相位的单胞元精细化“三操控”，且调控分辨率为亚波长量级，得到了“三合一”的多功能平面集成器件(图1)：通道一对应于光谱调制图像、通道二对应于连续灰度图像、通道三对应于全息图像。

图1 利用单胞元超表面实现光谱、振幅和相位“三操控”的多功能平面集成。

光参量精细化解耦技术提供了丰富的学术创新空间。如课题组还进一步实现了两种非正交偏振态的解耦：仅需单胞元纳米结构设计即可实现超表面双重光学防伪、可重构水印、信息嵌入和随机码[Nano Lett 20(3), 1830-1838 (2020)]、双通道的二值图像显示[Phys Rev Appl 14(3), 034002 (2020)]等。

研究工作表明，利用超表面将光参量进行精细化解耦操作，可实现光谱、相位、偏振、振幅等多种光参量的亚波长分辨率、独立且同步的操控，解决了超构器件多功能集成中的设计困难和串扰等难题，为超表面实现高信息密度、多功能的平面光集成提供了一条已实践证明可行的技术途径。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202003990