研究人员攻克了一项基础光学难题：如何独立控制光的入射角与波长——这个困扰成像与显示技术多年的瓶颈。通过利用辐射方向性特性，并设计具有独特对称性的双层元光栅，他们首次实现这两个变量的解耦控制。其精密的纳米加工技术可制备超平整高度定向结构，仅选择性地反射特定角度与波长的光线。该突破性进展将彻底革新增强现实/虚拟现实（AR/VR）显示设备、光谱成像乃至光计算领域，为微型化设备提供前所未有的光场调控能力。
在发表于eLight的新论文中，由中山大学董建文教授和复旦大学周磊教授共同领导的研究团队发现，光学模式的辐射方向性是克服这一基础挑战的关键。通过理论分析，他们建立了通过辐射方向性调控共振光谱的完整相图，揭示了空间反演对称性和光学模式的高方向性辐射是打破角度-波长锁定的关键物理条件。
基于此，他们在双层超光栅中引入了横向位移量。该设计在保持空间反演对称性的同时打破了垂直镜面对称，实现了对辐射方向性的精确角度控制。理论上，他们预测共振反射仅发生在正入射和中心波长附近。他们还提出了在任意角度和波长实现空间-光谱选择性的通用设计方案。
他们总结道："辐射方向性如同'神奇橡皮擦'，使我们能精确抑制沿色散曲线的光谱特征。这种能力实现了角度和波长的独立选择性，克服了本征色散的限制。"
他们补充道："双层超光栅的实验制备面临另一挑战，因为实现超薄间隔层的平整度和层间精确横向错位需要精密的纳米加工技术。"
为此，他们开发了新型制备方法，包含多重刻蚀步骤、间接厚度测量和迭代沉积工艺。结合高精度双层对准技术，成功制备出高质量近红外工作波段双层超光栅。该方法具备优异的间隔层平整度与厚度可调性、约10纳米对准精度，兼容多种间隔层材料，为研究双层光子系统建立了灵活的实验平台。
利用该平台，他们实验验证了仅在单一角度和单一波长处发生的高反射率现象。为证实新型反射源于辐射方向性，他们还进行了角分辨光学显微测量以表征样品的辐射方向性。通过将时间耦合模理论与交叉偏振测量技术结合，定量测量了共振模式单向辐射特性。
此外，该团队率先开发出毫米级高精度双层超光栅，并在0°和1342 nm处成功实现了具有同步空间-光谱选择性的高对比度成像。这为紧凑型光学成像和光计算技术开辟了新机遇。
科学家们展望："该研究不仅为独立调控角度与波长的基础挑战提供了创新解决方案，更为AR/VR显示、光谱成像、相干热辐射及先进半导体制造等技术应用带来新启示。"