光学超表面（Optical Metasurface，以下简称“OMS”）是一种由人工微结构组成的超薄平面器件，由于其具有超薄结构和较强的可自主设计性，被视为光学领域新的革命性技术。近些年，各种OMS应用也不断呈现出爆发式增长态势。

对于高度集成的光学系统而言，高性能的光学偏振操控器是实现其小型化和功能多样化的重要前提。通过改变OMS组成单元的几何形状和排布方式等，可以灵活地调控入射光的振幅、相位、偏振态和色散等参量。不过，由于OMS工作波长范围（涉及共振）或双折射调谐范围的限制，想要实现高效、快速和宽带的动态偏振控制，仍然是一个充满挑战的问题。

据麦姆斯咨询报道，近期，来自南丹麦大学纳米光学中心的研究团队，通过将压电MEMS薄膜与间隙表面等离子体（gap-surface plasmon，以下简称“GSP”）OMS相结合开发出电学动态MEMS-OMS系统，并基于此构建出一种双折射可调谐动态波片（dynamic wave plate，以下简称“DWP”）控制器，该DWP偏振控制器具备高偏振转换效率（~75%）、宽带操作（~100nm附近工作波长为800nm）、快速响应（<0.4ms），且能够沿着由入射光偏振和DWP方向确定的轨迹环绕庞加莱球（Poincare）实现全范围连续可调的双折射控制。该研究成果已发表在Nature Communications期刊。

该DWP偏振控制器对光束连续可调的控制效果得益于OMS的各向异性。该控制器由带有OMS结构的玻璃基板构成，组装在可移动的MEMS微镜上，通过施加驱动电压，可精确控制MEMS微镜和OMS之间的分离，从而实现连续可调的双折射控制。
 

基于电学动态MEMS-OMS系统的DWP偏振控制器

当DWP在MEMS微镜中工作时，表现出连续可调的各向异性，能够环绕庞加莱球，例如从线性偏振向圆、正交线性和相反圆偏振转换。MEMS微镜通过驱动电压改变其与OMS之间的距离，以此控制DWP产生双折射并不断调整反射光的偏振态。例如，当一束偏振光入射到DWP上时，围绕庞加莱球的不同偏振轨迹可作为不同的DWP方向，随着驱动电压的改变，反射光的偏振态也不断发生调整。

相对DWP轴以45°方向入射线性偏振光发生的偏振转换

除了评估DWP偏振可调谐性、偏振转换效率和响应时间外，研究人员还将DWP与四分之一波片（QWP）结合，对其连续线性偏振旋转的可能性进行了分析。研究表明该DWP偏振控制器的各项性能与仿真效果非常吻合，同时也证明了该建模设计方法可适用于未来各种MEMS-OMS控制器的开发。

固定角度入射线性偏振光发生的偏振转换

多种角度入射线性偏振光实现的多样化偏振转换

该项研究成功展示了基于MEMS-OMS的DWP偏振控制器能够对光偏振实现的动态控制。其设计开发策略为集成高性能、紧凑型动态偏振控制器开辟了新的路径，将进一步推进可重构、自适应光网络和光系统的小型化趋势。

论文信息：

https://doi.org/10.1038/s41467-022-29798-0