偏振作为光波的重要性质，在光与物质相互作用过程中扮演着重要的角色，在光存储、非线性光学、光信息复用中有着广泛的应用。利用超构表面调控光波偏振态通常利用双折射现象，即一对正交线偏振态通过超构表面后携带不同的延迟相位，叠加形成其他的偏振态，达到偏振态调制的目的。基于双折射偏振调制方法的出射偏振态依赖于入射光的偏振态，需要搭配额外的偏振器件来限制入射光的偏振态，阻碍了超构表面的进一步发展。

图1 基于任意偏振二项色性的全庞加莱球起偏器件

我们的研究开发了具有任意偏振态二项色性的双原子超构表面，该超构表面产生的偏振态不受入射光偏振态影响，甚至可以工作在非偏振光下。该工作以平面结构的琼斯矩阵出发，利用坐标系变换严格地推导出任意偏振态二项色性的琼斯矩阵以及对应的超构表面的双原子排布方式，通过设置双原子纳米柱的结构参数以及面内转角可以调节超构表面的琼斯矩阵中的元素，琼斯矩阵是表征入射光偏振态在与超构表面相互作用时偏振转化与透射情况的一种方式。针对位于庞加莱球上的红星和蓝星的一对正交入射偏振态(alpha和beta)，分别用红色和蓝色椭圆箭头表示，通过合适地选择结构参数，可以让偏振态alpha透过，并转化为其手性相反的偏振态，其位于在庞加莱球上的红点，与入射光偏振态关于赤道面对称，由红色虚线箭头所示。然而，对于入射偏振态beta，超构表面将完全阻止其透过。该情况下的琼斯矩阵中用于表示偏振转化和透射情况各个元素分量如曲线图1c所示，可以发现偏振态alpha高效率地转化为其手性相反的偏振态alpha*，而其余三个分量被完全抑制。此外，偏振态alpha和beta的透过率只差与之和的比例定义为偏振二项色性(PD)参量，工作在设计波长633nm时，PD参量接近100%，这表明所设计的超构表面具有完美的工作性能，并且可以被用作为产生特定偏振态的起偏器件。在不同偏振照射下的具体情况如图1所示，红色箭头表示入射光的偏振态，蓝色箭头表示透射光的偏振态，柱状图1表示相应的透射率，改变入射光的偏振态，透射率存在变化，但透射光的偏振态保持不变，这表明透射光的偏振态与入射偏振态无关。透射率随波长的变化是由于入射光在偏振态alpha上的分量变化导致。该工作的设计方案为偏振超构表面的设计与研发提供了一种便捷的平台。不受入射光偏振影响的任意偏振起偏器件拓展了纳米光学领域，并极大地推动最先进的纳米光子器件的发展。该研究成果已在物理学权威期刊LSA上。

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