一、背景介紹

1968年，Veselago提出左手材料的概念，超構(gòu)材料這一嶄新的領(lǐng)域宣告誕生，并在隨后的數(shù)十年里逐漸發(fā)展成熟，取得廣泛應用。然而，超構(gòu)材料面臨著微納加工工藝的限制與效率損耗的問題，這制約了其進一步的發(fā)展。

作為超構(gòu)材料的二維形式，超構(gòu)表面通過在二維平面上排布超構(gòu)原子——亞波長級別的散射體或者孔洞——實現(xiàn)特定的電磁調(diào)控功能。相比于超構(gòu)材料，超構(gòu)表面在保留光場調(diào)控高自由度的同時，顯著減輕了加工制造難度，提高了器件的能量利用效率。目前，超構(gòu)表面的工作波長范圍已經(jīng)覆蓋微波、太赫茲、紅外、可見光、甚至紫外，在成像、全息、量子光學、精密測量、虛擬現(xiàn)實與增強現(xiàn)實、傳感、加密等諸多領(lǐng)域具有重要的應用。

在系統(tǒng)性地介紹超構(gòu)表面的工作原理與基本設計理論的基礎(chǔ)上，浙江大學馬耀光研究員課題組對于超構(gòu)表面應用的主要發(fā)展方向，分別以具體的一類或者幾類典型器件為例，介紹其設計方法與研究進展。最后，從多個維度上討論了超構(gòu)表面領(lǐng)域面臨的主要挑戰(zhàn)，并對其未來發(fā)展進行展望。

二、關(guān)鍵技術(shù)進展

（1）偏振復用的超構(gòu)表面

通過偏振敏感的超構(gòu)原子設計，對以特定偏振態(tài)入射和出射的光引入獨立的相位調(diào)控，從而實現(xiàn)偏振復用的多功能器件，是超構(gòu)表面相較于傳統(tǒng)光學元件的重要優(yōu)勢之一。

2015年，F(xiàn)araon教授課題組提出，對于工作在單一波長的超構(gòu)表面器件，在超構(gòu)原子設計自由度充足的理想情況下，聯(lián)合幾何相位與傳播/諧振相位的混合相位調(diào)控機制可以實現(xiàn)任意的偏振和相位調(diào)控。基于此，2017年，Capasso教授課題組實現(xiàn)了對任意正交偏振態(tài)的獨立相位調(diào)控，如圖1（a）所示；2018年，黃玲玲教授課題組及其合作者實現(xiàn)了多通道偏振復用的超構(gòu)表面全息圖，如圖 1（b）所示。2023年，熊波等通過引入非相關(guān)的噪聲，打破了偏振復用通道高于3時各通道相位調(diào)控之間的線性相關(guān)，進一步突破了偏振復用的基本極限，如圖 1（c）所示。

圖1 偏振復用的超構(gòu)表面全息圖的全息顯示效果。（a）對正交圓偏振光復用的全息顯示；（b）多通道偏振復用的全息顯示；（c）11通道線偏振光復用的全息顯示

（2）波長復用的超構(gòu)表面

彩色全息顯示一直是全息超構(gòu)表面領(lǐng)域追求的目標。為生成彩色的全息圖像，超構(gòu)表面需要對紅綠藍三種波長的入射光引入獨立的相位調(diào)控，使其分別生成對應顏色分量的全息圖像，最終合成為完整的彩色圖像。

令單個超構(gòu)原子同時滿足多個波長的相位調(diào)控要求，在設計中往往很難做到。基于空分復用的策略，2016年，黃玲玲教授課題組及其合作者讓對應不同波長分量的超構(gòu)原子在基底上以一定的圖案排布，實現(xiàn)了兼具彩色打印與彩色全息顯示功能的超構(gòu)表面，其生成的全息圖像如圖 2（a）所示。2020年，胡躍強等利用偏振復用超構(gòu)表面的各偏振通道對各波長的相位調(diào)控進行解耦，實現(xiàn)了如圖 2（b）所示的彩色顯示效果。此外，令每一波長的入射光均能生成空間上相互分隔的所有顏色分量的全息圖像，但以不同角度入射，從而在有效視場里只保留目標圖像，也可以實現(xiàn)如圖 2（c）所示的彩色全息顯示效果。

圖2 基于不同原理的超構(gòu)表面彩色全息圖生成的全息圖像。（a）基于空分復用原理；（b）利用偏振對超構(gòu)原子對各波長的相位調(diào)控作用進行解耦；（c）利用不同波長的光以不同角度入射的方法

（3）寬帶的超構(gòu)表面

超構(gòu)透鏡的寬帶消色差問題一直以來都是困擾學術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的難點問題。2018年，蔡定平教授課題組和Capasso教授課題組分別獨立建立起了消色差超構(gòu)透鏡的設計理論，并利用混合相位調(diào)控機制來同時滿足消色差成像對相位和群延遲調(diào)控的需求。其中，蔡定平教授課題組設計的可見光波段消色差的超構(gòu)透鏡的成像效果如圖3（a）所示。理論研究表明，消色差超構(gòu)透鏡的帶寬、尺寸與數(shù)值孔徑指標之間存在基本的限制關(guān)系。為突破這一限制，2023年，馬耀光研究員課題組提出準消色差超構(gòu)透鏡的概念，仿照相位的2π周期延拓，對群延遲以一定的周期進行延拓，從而可以放松超構(gòu)原子可實現(xiàn)的群延遲范圍的約束，對一系列的離散延拓波長實現(xiàn)消色差的效果，如圖3（b）所示。

圖3 寬帶消色差超構(gòu)透鏡的成像性能。（a）一種消色差超構(gòu)透鏡的成像效果；（b）一種超寬帶的準消色差超構(gòu)透鏡對不同波長入射光的聚焦效果

（4）大視場的超構(gòu)表面

對于大視場超構(gòu)透鏡而言，限制視場角的核心因素是各種軸外像差，尤其是慧差（彗差會導致成像的不對稱，對成像質(zhì)量有嚴重影響）。雙曲相位分布僅適用于小視場下，為適應大視場的成像應用，必須引入新的相位分布，如通過光學設計軟件優(yōu)化設計的相位分布，以及羅先剛教授課題組提出的二次相位分布。但是，單片平面超構(gòu)表面不可能同時校正球差和彗差，任何相位分布都將是球差、彗差、數(shù)值孔徑和效率之間的權(quán)衡。

圖4 三種大視場超構(gòu)透鏡的成像效果。（a）采用單片超構(gòu)透鏡加光闌的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；（b）基于二次相位；（c）基于二次相位

（5）多層級聯(lián)的超構(gòu)表面

通過級聯(lián)多層超構(gòu)表面相互配合，有望實現(xiàn)單片超構(gòu)表面難以完成的設計任務，如大視場成像、非互易器件、光學神經(jīng)網(wǎng)絡等。級聯(lián)超構(gòu)表面中，層與層之間的距離決定了相鄰層超構(gòu)表面的關(guān)系，對應不同的模型和設計方法。當層間距較大，不存在層間相互作用，可先協(xié)同考慮和設計各層的相位分布，而后獨立設計每層超構(gòu)表面；當層間距較小，耦合作用無法忽略，可利用逆向設計方法進行設計。

（6）非局域超構(gòu)表面

近年來，超構(gòu)原子間的耦合作用開始逐漸受到關(guān)注，非局域超構(gòu)表面的概念被提出和發(fā)展，由此衍生出自由空間壓縮等多種新穎功能的器件設計。2020年，Valentine教授課題組利用非局域超構(gòu)表面實現(xiàn)了二維圖像微分的功能，如圖5（a）所示。2021年，Brongersma 教授課題組發(fā)現(xiàn)，非局域和高光學品質(zhì)因數(shù)的超構(gòu)表面可以實現(xiàn)在不同波長下解耦的光學功能。基于此設計的超構(gòu)表面可用于普通眼鏡上，在不妨礙可見光波段成像的前提下，將來自眼球的紅外光重定向到相機，從而實現(xiàn)眼球跟蹤的功能。

圖5 非局域超構(gòu)表面的應用。（a）圖像微分；（b）眼球追蹤

三、總結(jié)與展望

超構(gòu)表面具有超輕和超薄的平面架構(gòu)，易于集成和實現(xiàn)光學系統(tǒng)的小型化，其強大的電磁調(diào)控特性支持靈活的設計，且有望實現(xiàn)低成本的大規(guī)模制造。

然而，超構(gòu)表面依然面臨著設計和加工制造上的多重挑戰(zhàn)。如何實現(xiàn)更高性能和更大尺寸的器件，依然將是領(lǐng)域內(nèi)長期面臨的問題。一方面，明晰超構(gòu)表面理論上的性能極限對于指導未來走向具有重要意義；另一方面，也需要在設計方法和數(shù)值仿真工具上有所突破。目前對于傳統(tǒng)的基于局域周期性近似的單層超構(gòu)表面的研究已趨于成熟，但是在非局域、多層級聯(lián)、時空超構(gòu)表面等領(lǐng)域，尚存有大量空間有待探索。

參考文獻： 中國光學期刊網(wǎng)

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