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原创丨爱吃带鱼的小分子（学研汇 技术中心）

编辑丨风云

光的特性重新定义了我们如何认识/体验的世界。利用高分辨率显微镜、远程望远镜、快速照相机和光谱仪等光学仪器，我们从原子到天体物理尺度对宇宙世界进行了深刻理解，而这些发展的核心则基于一个光学组件，它控制光与物质相互作用时的特性。受到自然界（通过衍射、干涉和散射构造光的能力）的启发，研究人员已经尝试使用人工材料来操纵光，如：由于纳米粒子的等离子体共振而产生有趣的结构化着色，尝试通过将金属纳米粒子掺杂玻璃来改变其光学特性。类似地，1D/2D/3D交替电介质的周期性多层堆叠（即光子晶体）表现出与其组成材料不同的极端反射特性，通过构造其几何形状或材料成分来设计物质的光学响应，为以非常规方式利用光的特性提供了另一种途径。

超表面（平面光学）可以通过调整有效介电常数和磁导率的虚拟异常值，改变输出电磁响应，实现光特性的调节，超表面也已成为控制光的新平台。超表面平台由元原子的周期性晶胞组成，其中晶胞通常由金属或介电散射体（紧密排列成具有亚波长分离的晶格状排列）制成。正是由于紧凑的外形尺寸（实现纳米级的逐点偏振变换）、互补金属氧化物半导体兼容性（实现宽带聚焦和多波长全息）、多功能性、对极化和色散工程的优异控制性以及可定制性设计等特点，亚波长分辨率的光学散射体组成的平面光学器件（即超表面或超光学器件）已经成为支撑结构光的重要工具。而具有可调谐超表面的结构光则有望揭示新的光学功能，并取代传统的光学系统用片上光子元件（如：激光腔、法布里-珀罗谐振器、基于光纤的设备等）。此外，经过静态超表面的适当设计还可以通过调整输入光的属性来改变其输出响应，实现无需电子电路来调制输出响应而快速全光切换，从而节省空间、复杂性和成本。

图1 具有静态超光学的可调谐结构光。

基于平面光学的众多优势，美国哈佛大学Ahmed H. Dorrah和Federico Capasso重点关注通过调整输出行为以响应输入光的一个或多个自由度变化的无源元光学器件，围绕使用输入光的不同属性（入射角和方向、偏振、相位分布、波长和非线性行为）作为光学旋钮来调整输出响应的超表面进行了综述。相关综述以《Tunable structured light with flat optics》发表在Science上。

角度依赖和方向响应

角度依赖性通常以衍射损耗、失真或彗形像差的形式表现出来，是传统透镜、全息图和光束控制应用中尽量避免的现象，而实现每个输入波矢量的独立控制则可以减轻角度依赖性影响并拓展新功能。传统光学方式由于衍射光栅对角度的敏感性，很难解决角度的依赖性问题，而局部和非局部超表面技术则解决了这一难题，其中i）局部超表面在真实空间中逐点作用于入射光（元原子充当多模谐振器，在一组离散的入射角上赋予不同的相位延迟），而ii）非局部超表面依赖于相邻元原子的相互作用（如：金属-绝缘体-金属），利用相邻元原子之间的非局部相互作用直接对动量空间中的入射光进行操作，且使用尖锐的共振来共同修改动量空间中的输出响应。例如：由于与共振角位置匹配的分析物分子会通过表面增强的近场效应对远场响应进行强烈调制，通过在涂覆分析物分子之前和之后检测来自此类超表面的角度分辨反射信号（非局部超表面上），可以检索分子吸收指纹的全光谱内容。

除了入射角之外，传播方向（向前或向后）也被用于调整静态超表面（Janus超表面）的响应，这些定向设备可以通过将照明方向从正面反转到背面，表现出不同的着色或不对称透射。传播方向是使用由级联亚波长各向异性阻抗片制成的元原子来实现，通过在每个薄片中引入旋转，线偏振光将经历不对称透射。螺旋元原子也可以实现类似的行为，由于自旋相关模式耦合，使其具有正向传输的圆二色性高达0.72，反向产生高达0.87的巨大线性二色性的特征，其表现出的高选择性用于线偏振光的方位角。此外，通过创建具有特定旋转角的两个元原子对映异构体的超表面，也可以实现方向控制的偏振，结合角度依赖性和方向性实现同时在反射和透射中生成不同的图像。

图2 角度依赖和定向超表面

极化可切换行为

与传统体偏振器和波片（依赖于波长为10.6 μm的亚波长Pancharatnam-Berry微带光栅进行波前倾斜和矢量光束生成）不同，超表面对应物因为结构中元原子具有形状相关的双折射及相位延迟特性，能够实现纳米级的逐点偏振变换。而由于双折射轴可旋转性，从而提供通常表现为Pancharatnam-Berry相的第三自由度。因此，超表面在偏振控制和矢量光束生成方面表现出强大优势。除了控制横向平面（二维）中的偏振外，还可以实现沿光路的平行偏振变换。在这种情况下，单个超光学可以模拟串联级联的许多偏振光学的排列，入射光被转换为准非衍射光束，实现了对角动量的两个分量（自旋和轨道）的同时和独立控制。值得注意的是，由于空间多模跳动（即具有不同波矢量的共同传播模式之间的受控干涉），角动量的演变仅在光束的中心区域局部发生。当在整个横向平面上积分时，总轨道角动量是守恒的。

具有复杂偏振可切换行为的最新元光学的案例：

i）生成远场轮廓的超表面，该轮廓对入射光进行平行偏振分析。每个偏振态的强度遵循马鲁斯定律（强度与入射偏振在该特定状态上的投影（点积）成正比）。因此，这类被称为琼斯矩阵全息图的超表面通过图形读取投影图案来实现输入光的视觉全斯托克斯偏振测量。

ii）四个矩形纳米鳍组成的超表面（响应任何输入的正交偏振对）。手性辅助相位调制部署了级联的超表面层来解耦描述每个超原子的琼斯矩阵的所有四个分量。使用这种方法，在输入-输出偏振通道L-L、L-R、R-L和R-R上对四个不同的波前进行编码（L-R分别表示设备输入和输出处的左旋和右旋圆偏振）。通过解耦所有输入-输出共极化和交叉极化通道，可以将输入波前转向四个不同方向；通过在两个偏振器之间夹入一个双折射超表面，可以在800 nm波长的不同输入-输出偏振通道上加密七个不同的图像；通过将波长作为额外的自由度，多通道全息术也得到了增强。此外，平行偏振处理和分析可以设计用于偏振表征的新技术。

图3 具有偏振相关响应的超表面。

使用结构光进行调谐

由于光子自旋受限于两个自由度，偏振可切换的超表面主要限于将两个正交偏振映射到两个输出波前轮廓。多通道全息术可以通过解耦不同的输入-输出偏振通道来缓解这一限制。其中，具有超表面的总轨道角动量全息术已成为克服这些挑战的多功能波前整形工具，其依赖于将一组正交的涡旋光束（具有螺旋相前的模式）映射到任意数量的输出全息图（受孔径大小限制）。全息图像由依赖于总轨道角动量的2D Dirac函数进行空间采样，以避免螺旋波前核在图像平面上的空间重叠，其中，总轨道角动量保存全息图产生像素化图像，同时在重建图像的每个像素中保留入射总轨道角动量光束的总轨道角动量特性。总轨道角动量选择性全息图对输入总轨道角动量模式敏感。值得注意的是，在同一个超表面上添加多个总轨道角动量选择性全息图将创建一个总轨道角动量复用元全息图，将不同的总轨道角动量状态映射到不同的全息图像。此外，由于它们的正交性和无限大小，许多总轨道角动量模式可以通过单个元全息图进行复用，同时保持高空间分辨率。通过使用输入-输出偏振通道作为额外的自由度，可以在相同的总轨道角动量状态上对多个全息图进行编码。

除了总轨道角动量，更通用的波前分布可以用作控制旋钮来投射不同的全息图像。尽管超表面是静态的，但入射光束包含一个很大的参数空间，可以改变（重新编程）输出光束，从而为信息安全和认证提供新技术，例如，级联超表面全息术的密钥共享的全光学解决方案：可用于在多个超表面层之间拆分和共享加密的全息信息。这种级联的全息图像可以用作光学秘密，只有在两个超表面堆叠并且可以扩展到更大的共享集时才会显示。除了结构光之外，结构暗的复杂图案也可以用作超表面旋钮。例如，除了总轨道角动量模式携带的1D奇点之外，通过在任意选择的几何形状上最小化场的实部和虚部分量来设计2D奇点片，通过最大化垂直于待测区域的相位梯度，已经生成了心形奇点片。此外，还构建了极化状态未定义的矢量奇点片，这些自由度为元全息图提供了额外的旋钮，并且由于它们对扰动的极度敏感，可能会提出新的传感方案。

图4 结构光作为超表面旋钮

多波长控制

色散或波长依赖性是所有光学材料的重要特性。它对消色差聚焦、宽带全息术和高速数据传输都产生影响。众多研究人员努力试图通过调整物质的化学成分（折射率）来调整色散。超表面通过塑造超原子的几何形状为色散工程提供了一条更灵活的途径，从而在纳米尺度上以可重复的方式改变它们的有效折射率。色散工程超表面可以按需模拟折射或衍射光学器件的色散特性，随后成为消色差聚焦、波长相关全息术、多功能器件和脉冲整形的有前途的平台。消色性受移相器的相位和群延迟（一阶色散）支配，为了保持宽带性能，移相器应该通过避免尖锐的共振来表现出平滑的色散响应。而在尖锐共振附近工作可以有效地解耦不同波长的相位，从而实现多功能响应。

多波长控制已通过交错超像素、导模共振、耦合元原子和堆叠超表面等实现。其中，元分子由三种硅纳米块组成，每一种都通过改变每个波片状纳米鳍的面内方向来赋予特定波长的几何相位。尽管实现简单，但空间交错对效率施加了上限并引入了不希望的元原子耦合，这会降低图像质量，产生重影图像和不需要的衍射级。为了克服这些限制，已经提出了垂直堆叠的超表面，其中每一层都针对特定的入射波长进行了优化，从而实现了消色差聚焦和多波长响应，与传输操作相比，该方案利用反射超表面有效地将传播相位加倍，还引入了波长相关的导模共振，当入射光耦合到泄漏表面模式并通过相位匹配重新辐射到自由空间时，就会出现这种共振。这会在共振周围产生快速的相位梯度，从而实现广泛的相位覆盖，同时将赋予每个波长的相位解耦。双层超表面可以进一步扩展设计空间，实现具有复杂幅度调制的波长选择性全息术。此外，超表面辅助配置也可以用于脉冲整形和时空光控制。

图5 具有多波长控制的超表面光学器件

非线性超表面

使用光的自由度作为控制旋钮可以扩展到利用非线性相互作用。从光学薄结构获得强非线性响应需要比自然体非线性介质更强的光与物质相互作用，非线性超表面通过巧妙地构造纳米散射体的形状和尺寸来解决了这一难题，进一步通过放松相位匹配和对称规则来增强极小体积上的非线性效应。先前的非线性研究依赖于激发局部表面等离子体激元共振来强烈增强元原子附近的电磁场（强度可以通过设计元原子的几何形状来定制），这通常需要使用金属-电介质界面，其中非线性源于电位的不对称性，将电子限制在材料界面。而最近，全电介质超表面因其低光学损耗、强场重叠和对其色散特性的系统控制而受到广泛关注，可以实现基于非对称参数转换的定向传输，这种设备可以在红外辐射照射时产生可见光谱范围内的图像，同时通过反转照射方向投射不同的独立图像（“前向”照明主要导致磁偶极型散射，而在“后向”照明下，散射主要是电偶极子）。这种功能可以超越光的参数生成，并且可以在纠缠光子态的不对称生成中找到应用（在纳米尺度上实现非互易行为和光学隔离）。

图6 非线性超表面全息和成像

结语

在过去的十年中，由于丰富的元原子库、精确的全波模拟和精确的纳米加工工艺，平面光学的使用已从波前整形和聚焦扩展到更复杂的结构光操纵。单层和多层元原子的复杂配置通过简单地改变输入光的一个或多个自由度来实现多功能行为。这种能力允许静态单片集成光子组件快速切换其行为，而无需有源电路。这种全光学控制旋钮的超表面将成为增强现实和虚拟现实（AR和VR）设备、3D显示器以及无人机和汽车光检测和测距（LIDAR）系统的关键组成。尽管如此，在超表面研究和应用中仍然存在一些开放的挑战：i）需要探索更大的自由形状几何设计空间来扩展前向设计的纳米天线的功能；ii）需要搜索非直观设计技术来应对目前的挑战，如逆向设计和机器学习技术；iii）在没有周期性边界条件的情况下，元原子耦合现象需要更准确的模型进行剖析。此外，将静态和主动超表面的混合配置将有望实现高空间分辨率和时变响应两者的完美结合，将结构光从2D推到3D，从冻结到动画，从原子到天体物理尺度。

参考文献：

Ahmed H. Dorrah and Federico Capasso. Tunable structured light with flat optics. Science 376, 367 (2022)

DOI: 10.1126/science.abi6860

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abi6860