超構(gòu)表面：開啟光場(chǎng)調(diào)控的更多可能

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(yīng)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(jìn)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(zhǎng)級(jí)別的散射體或者孔洞——實(shí)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(chǎng)調(diào)控高自由度的同時(shí)，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(zhǎng)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(xué)、精密測(cè)量、虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、傳感、加密等諸多領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用。

在系統(tǒng)性地介紹超構(gòu)表面的工作原理與基本設(shè)計(jì)理論的基礎(chǔ)上，浙江大學(xué)馬耀光研究員課題組對(duì)于超構(gòu)表面應(yīng)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(shè)計(jì)方法與研究進(jìn)展。最后，從多個(gè)維度上討論了超構(gòu)表面領(lǐng)域面臨的主要挑戰(zhàn)，并對(duì)其未來發(fā)展進(jìn)行展望。

二、關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)展

（1）偏振復(fù)用的超構(gòu)表面

通過偏振敏感的超構(gòu)原子設(shè)計(jì)，對(duì)以特定偏振態(tài)入射和出射的光引入獨(dú)立的相位調(diào)控，從而實(shí)現(xiàn)偏振復(fù)用的多功能器件，是超構(gòu)表面相較于傳統(tǒng)光學(xué)元件的重要優(yōu)勢(shì)之一。

2015年，F(xiàn)araon教授課題組提出，對(duì)于工作在單一波長(zhǎng)的超構(gòu)表面器件，在超構(gòu)原子設(shè)計(jì)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(jī)制可以實(shí)現(xiàn)任意的偏振和相位調(diào)控?；诖耍?017年，Capasso教授課題組實(shí)現(xiàn)了對(duì)任意正交偏振態(tài)的獨(dú)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(shí)現(xiàn)了多通道偏振復(fù)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(fù)用通道高于3時(shí)各通道相位調(diào)控之間的線性相關(guān)，進(jìn)一步突破了偏振復(fù)用的基本極限，如圖 1（c）所示。

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

（2）波長(zhǎng)復(fù)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(biāo)。為生成彩色的全息圖像，超構(gòu)表面需要對(duì)紅綠藍(lán)三種波長(zhǎng)的入射光引入獨(dú)立的相位調(diào)控，使其分別生成對(duì)應(yīng)顏色分量的全息圖像，最終合成為完整的彩色圖像。

令單個(gè)超構(gòu)原子同時(shí)滿足多個(gè)波長(zhǎng)的相位調(diào)控要求，在設(shè)計(jì)中往往很難做到。基于空分復(fù)用的策略，2016年，黃玲玲教授課題組及其合作者讓對(duì)應(yīng)不同波長(zhǎng)分量的超構(gòu)原子在基底上以一定的圖案排布，實(shí)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(qiáng)等利用偏振復(fù)用超構(gòu)表面的各偏振通道對(duì)各波長(zhǎng)的相位調(diào)控進(jìn)行解耦，實(shí)現(xiàn)了如圖 2（b）所示的彩色顯示效果。此外，令每一波長(zhǎng)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(chǎng)里只保留目標(biāo)圖像，也可以實(shí)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(fù)用原理；（b）利用偏振對(duì)超構(gòu)原子對(duì)各波長(zhǎng)的相位調(diào)控作用進(jìn)行解耦；（c）利用不同波長(zhǎng)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(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的難點(diǎn)問題。2018年，蔡定平教授課題組和Capasso教授課題組分別獨(dú)立建立起了消色差超構(gòu)透鏡的設(shè)計(jì)理論，并利用混合相位調(diào)控機(jī)制來同時(shí)滿足消色差成像對(duì)相位和群延遲調(diào)控的需求。其中，蔡定平教授課題組設(shè)計(jì)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(biāo)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(zhǔn)消色差超構(gòu)透鏡的概念，仿照相位的2π周期延拓，對(duì)群延遲以一定的周期進(jìn)行延拓，從而可以放松超構(gòu)原子可實(shí)現(xiàn)的群延遲范圍的約束，對(duì)一系列的離散延拓波長(zhǎng)實(shí)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(zhǔn)消色差超構(gòu)透鏡對(duì)不同波長(zhǎng)入射光的聚焦效果

（4）大視場(chǎng)的超構(gòu)表面

對(duì)于大視場(chǎng)超構(gòu)透鏡而言，限制視場(chǎng)角的核心因素是各種軸外像差，尤其是慧差（彗差會(huì)導(dǎo)致成像的不對(duì)稱，對(duì)成像質(zhì)量有嚴(yán)重影響）。雙曲相位分布僅適用于小視場(chǎng)下，為適應(yīng)大視場(chǎng)的成像應(yīng)用，必須引入新的相位分布，如通過光學(xué)設(shè)計(jì)軟件優(yōu)化設(shè)計(jì)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(shí)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(chǎng)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(jí)聯(lián)的超構(gòu)表面

通過級(jí)聯(lián)多層超構(gòu)表面相互配合，有望實(shí)現(xiàn)單片超構(gòu)表面難以完成的設(shè)計(jì)任務(wù)，如大視場(chǎng)成像、非互易器件、光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。級(jí)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(duì)應(yīng)不同的模型和設(shè)計(jì)方法。當(dāng)層間距較大，不存在層間相互作用，可先協(xié)同考慮和設(shè)計(jì)各層的相位分布，而后獨(dú)立設(shè)計(jì)每層超構(gòu)表面；當(dāng)層間距較小，耦合作用無法忽略，可利用逆向設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（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(shè)計(jì)。2020年，Valentine教授課題組利用非局域超構(gòu)表面實(shí)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(xué)品質(zhì)因數(shù)的超構(gòu)表面可以實(shí)現(xiàn)在不同波長(zhǎng)下解耦的光學(xué)功能?；诖嗽O(shè)計(jì)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(jī)，從而實(shí)現(xiàn)眼球跟蹤的功能。

圖5 非局域超構(gòu)表面的應(yīng)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(shí)現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)的小型化，其強(qiáng)大的電磁調(diào)控特性支持靈活的設(shè)計(jì)，且有望實(shí)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(shè)計(jì)和加工制造上的多重挑戰(zhàn)。如何實(shí)現(xiàn)更高性能和更大尺寸的器件，依然將是領(lǐng)域內(nèi)長(zhǎng)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(duì)于指導(dǎo)未來走向具有重要意義；另一方面，也需要在設(shè)計(jì)方法和數(shù)值仿真工具上有所突破。目前對(duì)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(jí)聯(lián)、時(shí)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(xiàn)： 中國光學(xué)期刊網(wǎng)

您好，可以免費(fèi)咨詢技術(shù)客服[Daisy]

 筱曉(上海)光子技術(shù)有限公司 

歡迎大家給我們留言，私信我們會(huì)詳細(xì)解答，分享產(chǎn)品鏈接給您。

免責(zé)聲明：

資訊內(nèi)容來源于互聯(lián)網(wǎng)，目的在于傳遞信息，提供專業(yè)服務(wù)，不代表本網(wǎng)站及新媒體平臺(tái)贊同其觀點(diǎn)和對(duì)其真實(shí)性負(fù)責(zé)。如對(duì)文、圖等版權(quán)問題存在異議的，請(qǐng)聯(lián)系我們將協(xié)調(diào)給予刪除處理。行業(yè)資訊僅供參考，不存在競(jìng)爭(zhēng)的經(jīng)濟(jì)利益。