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?，2017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)各波長的相位調(diào)控作用進(jìn)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(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)在不同波長下解耦的光學(xué)功能。基于此設(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)

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