我們接受信息的絕大部分來源于視覺信息，而光，則是承擔(dān)了信息傳遞的重要角色，小到原子微粒，大到天體宇宙，無一不和光有著緊密聯(lián)系。而光學(xué)組件，便是我們與光發(fā)生聯(lián)系的媒介。因此，發(fā)明和制備更加先進(jìn)的光學(xué)組件，意味著我們既能自由的操控光發(fā)出信息，也能利用這些組件接受更多的信息。

光有一些基本的屬性，比如頻率，影響我們觀察的顏色；振幅，影響我們觀察的強(qiáng)度；相位分布，影響光的相互作用形式，等等。

最開始我們僅僅利用自然界存在的材料來處理光信息，比如簡單的聚焦、成像、發(fā)光等等。直到超材料（名詞解釋>）——一種人工微結(jié)構(gòu)材料的出現(xiàn)，徹底革新了人們對操控光的認(rèn)識，原來，還可以如此高自由度的對光進(jìn)行操控。

超材料的出現(xiàn)起源于對折射率的研究，最初由于加工條件，率先在微波頻率實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，此后二十年，迅速發(fā)展到太赫茲、紅外、可見光波段。直到現(xiàn)在，可見光超材料已經(jīng)是非常龐大的一個(gè)研究體系。

超表面（名詞解釋>），作為一種二維形式的超材料，因?yàn)槠浞浅＜嫒莓?dāng)前集成電路工藝、且體積小、適合微型化，因此得到迅速發(fā)展，現(xiàn)已成為超材料最大的分支之一。超表面在成像、探測等方面有著巨大的應(yīng)用前景，而來自美國哈佛大學(xué)的 Capasso 研究團(tuán)隊(duì)，便是研究超表面的國際知名團(tuán)隊(duì)。

超表面的發(fā)展也歷經(jīng)幾個(gè)重要階段，最開始人們僅僅利用超表面實(shí)現(xiàn)一些特定的任務(wù)，例如異常散射行為、消色差聚焦等等。但是隨著研究的進(jìn)行，人們不再滿足于單一功能的超表面，希望單個(gè)超表面能夠?qū)崿F(xiàn)盡可能多的任務(wù)，因此，可調(diào)超表面應(yīng)運(yùn)而生，人們很自然想到，如果添加一些外部因素，諸如電場、磁場、調(diào)控光束等條件，來改變超表面的狀態(tài)，使得實(shí)現(xiàn)不同任務(wù)之間的切換。沿著這個(gè)思路，也發(fā)展出了眾多的動態(tài)可調(diào)超表面，在同一個(gè)器件上面，動態(tài)可調(diào)的實(shí)現(xiàn)了多功能性。

以上是非常自然的一條思路，在此前提就是，人們默認(rèn)靜態(tài)超表面只能實(shí)現(xiàn)特定的功能任務(wù)，這是因?yàn)榇蠹页３：雎砸患虑椋汗庾鳛樾畔⒌膫鬟f者，在與超表面的相互作用過程中，本身就可以作為一個(gè)可調(diào)的自由度來考慮。

而這，正是接下來要介紹的這篇綜述的出發(fā)點(diǎn)：我們追求在一個(gè)靜態(tài)的超表面上，利用入射光的不同屬性來實(shí)現(xiàn)功能可調(diào)性。

來自美國哈佛大學(xué)Ahmed H. Dorrah和Federico Capasso研究團(tuán)隊(duì)，致力于利用靜態(tài)超表面實(shí)現(xiàn)可調(diào)結(jié)構(gòu)光與平面光子學(xué)的關(guān)聯(lián)。他們圍繞近十年來，利用輸入光自身的不同屬性作為“光旋鈕”，來調(diào)整輸出響應(yīng)的超表面的相關(guān)研究工作進(jìn)行了綜述。

超表面讓我們可以像拼圖一樣去構(gòu)建光學(xué)功能模塊

相關(guān)綜述以 “Tunable structured light with flat optics” 為題發(fā)表在Science。

在這篇綜述論文里，研究團(tuán)隊(duì)對這些靜態(tài)器件進(jìn)行更深入的研究，重點(diǎn)放在被動光學(xué)器件上，這種器件可以根據(jù)輸入光的一個(gè)或多個(gè)自由度來調(diào)整其輸出行為。這種性質(zhì)的設(shè)備通常依賴于元原子層面復(fù)雜的光與物質(zhì)的相互作用，這是其他平臺(例如，空間光調(diào)制器)無法輕易復(fù)制的。這種可調(diào)諧性通常通過不同類型的共振(米氏散射、Fano 共振、連續(xù)介質(zhì)中的束縛態(tài))等等來實(shí)現(xiàn)，從而擴(kuò)寬了當(dāng)前的光學(xué)可調(diào)范式。

作者主要綜述了五種可調(diào)方式：入射角和入射方向、偏振狀態(tài)、相位分布、波長、非線性行為。

1、利用入射角和入射方向來實(shí)現(xiàn)可調(diào)

在傳統(tǒng)光學(xué)透鏡中，由于角度依賴導(dǎo)致成像會出現(xiàn)色差，這是由于這些角度帶來的誤差無法被精確的控制，因此成為了不希望出現(xiàn)的現(xiàn)象。而超表面，讓我們能夠?qū)崿F(xiàn)對角度依賴的精確設(shè)計(jì)，角度依賴可以成為一個(gè)能夠被利用的自由度，引入到可調(diào)結(jié)構(gòu)光的領(lǐng)域中。

具體來說，研究者利用多個(gè)諧振單元之間的相互耦合對入射光角度的依賴，實(shí)現(xiàn)了從不同角度入射，反射相位的分布可以被調(diào)控和設(shè)計(jì)。因此可以在同一個(gè)靜態(tài)超表面上，通過設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)不同角度的入射，得到不同的全息圖案，意味著，可以通過入射角的改變，來改變該靜態(tài)超表面的輸出響應(yīng)。利用這種特性，我們可以將入射角作為一個(gè)變量，對入射光進(jìn)行加密或者是通信，進(jìn)而在光學(xué)顯示器件、虛擬現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域可以有很多應(yīng)用的價(jià)值。

除了入射角之外，還可利用傳播方向(向前或向后)來調(diào)整靜態(tài)超表面的響應(yīng)。這通常被稱為 Janus 超表面，當(dāng)光線從相反的方向照射到這類超表面上，表現(xiàn)出不同的全息圖案或不對稱傳輸，這是利用亞波長尺度的各向異性阻抗片制成的超原子來實(shí)現(xiàn)的。通過在每個(gè)片上引入一個(gè)漸變的旋轉(zhuǎn)，線偏振光將進(jìn)行非對稱傳輸。

簡單來講，就是構(gòu)建超表面結(jié)構(gòu)，使得其光學(xué)響應(yīng)依賴其與入射光的相對取向關(guān)系。對于同一個(gè)靜態(tài)超表面，當(dāng)光從左往右照射，與從右往左照射時(shí)，透射光的相位分布有所區(qū)別，因此得以實(shí)現(xiàn)不同的全息圖案，也為研究非互易傳輸?shù)裙鈱W(xué)現(xiàn)象提供了一個(gè)研究平臺。

2、利用偏振狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)可調(diào)

與傳統(tǒng)的偏振片不一樣，超表面得以在亞波長量級的尺寸上，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)的偏振狀態(tài)控制，因此可以實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜的偏振狀態(tài)。利用幾何相位，通過精心的設(shè)計(jì)各介質(zhì)快的旋轉(zhuǎn)角度，可以單獨(dú)控制每一點(diǎn)的偏振狀態(tài)。利用水平、豎直兩個(gè)正交方向的偏振入射到超表面上 ，借助于不一樣的響應(yīng)可以在后面實(shí)現(xiàn)不同的全息圖像。

除了上述的入射偏振不同帶來的輸出響應(yīng)不同之外，利用超表面還可以在遠(yuǎn)場實(shí)現(xiàn)偏振狀態(tài)的傳輸，結(jié)合聚焦和全息技術(shù)，可以在軸向距離上實(shí)現(xiàn)不同偏振態(tài)的同時(shí)存在，這在傳統(tǒng)透鏡或者偏振元件中是難以實(shí)現(xiàn)的，利用一個(gè)靜態(tài)的超表面結(jié)構(gòu)便可以模擬多個(gè)偏振器件串聯(lián)起來的效果。得益有超表面超高的偏振設(shè)計(jì)自由度，以及亞波長尺寸像素級的點(diǎn)偏振控制，我們還可以控制渦旋光的偏振狀態(tài)。

3、利用相位分布來實(shí)現(xiàn)可調(diào)

光子自旋角動量體現(xiàn)在光波的偏振上面，除此之外，光場在空間上的相位分布還可以讓光場攜帶一個(gè)軌道角動量。相位空間分布的引入使得多通道全息術(shù)有了更高的可調(diào)自由。通過排列超原子的分布，研究者實(shí)現(xiàn)了對渦旋入射的不同響應(yīng)類型，有選擇某個(gè)特定渦旋輸出、不同渦旋輸出不同相位空間分布等性能。

渦旋光、超表面、全息術(shù)的結(jié)合可以在加密方面有一定應(yīng)用價(jià)值。在利用渦旋光進(jìn)行加密傳輸時(shí)，只有在正確的結(jié)構(gòu)光照射下，才能在后面得到正確的全息圖案，否則將引入隨機(jī)噪聲，使得全息圖案模糊，即起到加密傳輸?shù)男Ч?/p>

更有意思的一點(diǎn)，靜態(tài)超表面甚至可以做出動態(tài)全息圖像。通過精確設(shè)計(jì)超表面結(jié)構(gòu)，使得其對于不同結(jié)構(gòu)的渦旋光產(chǎn)生不一樣的全息圖案，再在入射光路中，將入射光束調(diào)制成時(shí)間依賴的關(guān)系，如此便實(shí)現(xiàn)了在不同時(shí)刻出現(xiàn)的渦旋光結(jié)構(gòu)不同，帶來全息圖案也隨著時(shí)間演變，實(shí)現(xiàn)了靜態(tài)超表面結(jié)構(gòu)完成動態(tài)全息視頻的效果，這在VR等領(lǐng)域有應(yīng)用價(jià)值。

4、利用波長來實(shí)現(xiàn)可調(diào)

光的波長，也就是光的頻率是光的一個(gè)重要屬性。而材料對不同頻率的響應(yīng)不同，叫做色散現(xiàn)象，比如生活中比較常見的三棱鏡對太陽光的分光現(xiàn)象。而利用強(qiáng)烈的色散行為，我們可以設(shè)計(jì)超表面來實(shí)現(xiàn)其對于不同波長，產(chǎn)生不同的輸出特性，即頻率的空間復(fù)用。研究者利用不同的介質(zhì)立方柱對不同的頻率響應(yīng)不一樣，可以在同一個(gè)靜態(tài)超表面上集成多種介質(zhì)柱子，使得其對于不同頻率的光形成的全息圖案不一致。

考慮到層間不同形狀介質(zhì)柱之間的耦合，會對最終的結(jié)果產(chǎn)生干擾，同時(shí)也隨著現(xiàn)有的加工體系越來越完備，有研究者提出了多層超表面結(jié)構(gòu)。即利用不同層對不同波段響應(yīng)，可以在不同波長的入射下形成不一樣的全息圖案。

除了上述波長實(shí)現(xiàn)對全息圖案或者渦旋光結(jié)構(gòu)的控制，超表面的可設(shè)計(jì)色散行為還可以在激光脈沖的壓縮和展寬方面有著特有的優(yōu)點(diǎn)。利用超表面對不同頻率的光有不一樣的響應(yīng)，通過在頻域內(nèi)對各頻率進(jìn)行操控，再回到時(shí)空間合成時(shí)域信號，可以實(shí)現(xiàn)光束的偏折。同樣的，利用超表面對各頻點(diǎn)光束相位和幅值的調(diào)控，波長依賴的超表面在脈沖壓縮和展寬也展現(xiàn)了特有的優(yōu)勢。對于我們發(fā)展微型脈沖激光邁出重要一步，由于超表面相對于傳統(tǒng)的光柵、透鏡而言，在可見光的尺寸占據(jù)很大優(yōu)勢。

5、利用非線性行為來實(shí)現(xiàn)可調(diào)

利用超表面實(shí)現(xiàn)光學(xué)非線性，最開始是利用超表面對場的局域增強(qiáng)來增強(qiáng)材料本身的非線性行為，隨著研究的發(fā)展，目前人們可以通過構(gòu)建復(fù)雜而又精確的超表面結(jié)構(gòu)，來實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜和豐富的非線性行為。利用 U 形金屬諧振環(huán)，對入射的圓偏振光產(chǎn)生非線性響應(yīng)，產(chǎn)生二次諧波。通過對超表面的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)基頻到基頻的全息圖像和基頻到倍頻的全息圖像有所不同，并且出射的不同自旋的全息圖案也不一樣。

以上五個(gè)部分，并不是完全獨(dú)立分開的，有時(shí)候也可以將其中某幾種特性結(jié)合在一起。

隨著當(dāng)前對超表面研究越來越深入，并且加工手段也越來越豐富，近十年來出現(xiàn)了很多關(guān)于超表面的優(yōu)質(zhì)研究成果，并且在成像、VR 等領(lǐng)域，超表面已經(jīng)逐步走向了應(yīng)用。

本文僅僅綜述了光自身屬性作為光旋鈕，切換靜態(tài)超表面的輸出響應(yīng)，使得被動式超表面也能夠?qū)崿F(xiàn)主動式超表面那樣豐富的功能。但是也不能完全代替主動超表面，因此作者展望未來，靜態(tài)超表面和動態(tài)超表面的結(jié)合或許會把超表面和光的相互作用推向一個(gè)更高的高度。同時(shí)在超表面的設(shè)計(jì)方面，在未來，引入人工智能輔助設(shè)計(jì)也正在成為越來越多科研工作者正在進(jìn)行的工作。

論文信息

Dorrahet al.,Science376, 367 (2022)

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

審核編輯 ：李倩