蔡定平团队综述：集成共振超构器件的科学与应用

Jin Yao, Rong Lin, Mu Ku Chen, Din Ping Tsai. Integrated-resonant metadevices: a review[J]. Advanced Photonics, 2023, 5(2): 024001

随着微纳光子学技术不断进步，超构表面以其在平面光学领域中的巨大潜力，引起了众多研究人员的关注。借助名为元原子 (meta-atom) 的人工纳米结构阵列，超构表面能够高效、灵活地实现对透射电磁波振幅、相位、偏振态以及光谱响应等参量的调控，进而在光束整形、全息成像、光学传感以及量子通信等具体场景中收获众多优秀的应用实例。

传统的超构器件往往由一种特定类型的元原子组成，尽管能够顺利实现预期功能，但缺乏自由度的设计限制了器件自身对光学响应的可控性，使得器件难以实现连续色差校正、多路复用以及调谐控制等多项复杂的功能。

为了解决单个器件难以实现多功能复用的技术难题，集成共振单元 (IRUs) 应运而生。类似于材料领域内异质结结构，IRU能够将多种元原子、共振模式以及光学功能集成到一个超晶胞中，以解决传统超构器件功能单一的弊病。相较于传统超构器件，IRU具有更多额外的自由度，这一点主要通过元原子和共振模式的数量、几何参数、组成材料以及物质属性等参数来体现。通过将多种不同功能的元原子进行集成，IRUs通常会显示出优于常规器件的卓越性能，并拥有应对未来高性能及多样化应用需求的优势。

近日，香港城市大学蔡定平教授领衔撰写了综述文章，从集成共振单元的工作原理出发，向读者展示了集成共振超构器件技术的发展历程，并论述了该技术在未来将遇到的挑战与前景。该工作以Integrated-resonant metadevices: a review为题，发表在Advanced Photonics 2023年第2期。

作为微纳光子学技术未来发展的一个重点方向，集成共振超构器件具备许多优秀特性，极大程度推动了相关技术的发展。一般来说，集成共振超构器件的代表性技术优势有以下几项：

消色差性：当入射光束具备宽带多波长特征时，传统单个类型的元原子超构器件会因为结构及材料色散等因素，产生色差干扰，进而严重影响全彩成像表现的质量。传统的超构器件技术，仅能够在极窄波段上实现消色差功能。随着IRU技术的发展，宽带消色差超构器件得到了广泛报道，高效率消色差集成共振超构器件的研制技术也得以开发，并且逐渐走向实际应用与商业化。

高效率：极化转换效率是掣肘超构器件实际性能的关键因素，传统的超构器件通常会受到不同元原子之间弱耦合以及共振模式的限制，很难具备较高的转化效率。而集成共振超构器件则不然，该器件可以通过精巧的结构设计，在保证功能性的同时，兼顾到极化转换效率。此外，IRU技术的高效率特性，同样可助其在高效吸收体的设计、光学手性增强以及模式耦合效率等具体技术的研究中占据一席之地。

选择性：相对于传统超构器件单一的响应表现，集成共振超构器件拥有更加优秀的波长选择特性，能够在不同波段入射光的激励下获得不同的输出表现，进而表现出更加优异的多路性和多功能性。此外，集成共振超构器件的选择性也能助其在高容量轨道角动量 (OAM) 选择性显示、高效手性超构器件以及角度依赖型器件等若干项应用的设计中显露锋芒。

可调谐性：随着超构器件的发展，为了获得更高的灵活性和更多的功能，可调谐性显得至关重要。近年来，超构器件可调谐性研究大多集中在超构透镜领域，近年来集成共振超构器件可调谐特性技术已经在可编程全息投影、光学图像加密以及全息图像切换等领域获得许多突破性的研究成果。

近年来，越来越多的应用实例证明了集成共振超构器件在综合性能表现上全面优于传统超构器件。综述详细介绍了集成共振超构器件在消色差成像、光场传感、偏振态检测、OAM生成、颜色路由、超构全息、纳米打印以及非线性生成等八项具体技术领域中的实际应用。

随着VR、AR等技术蓬勃发展，成像设备正迎来一场重大的技术革命，如何有效提升设备的成像质量，已成为技术人员关注的热点问题。在超构透镜成像的技术领域，传统超构透镜往往面临成像色差过大的缺陷，换句话说，传统超构透镜只能在单色光下达到最佳的成像状态。色差的问题，归根到底是因为超构器件本身在设计时仅采用了单一类型元原子，继而使材料自身本征色散和不同波长光束传输时所引起的相位积累无法被有效补偿，最终在一定程度上限制了器件的成像质量。实际物体的光谱是连续的，超构设备想要实现尽可能完美的成像，色差的消除范围还必须被拓展至宽带。而基于IRU技术的集成共振超构透镜，则成为了攻克上述难题的“妙招”。近年来，通过对基材的选择、色散参量的调控以及IRU结构的精巧设计，研究人员成功实现了透射式宽带消色差超构透镜的研制工作，大幅提升了超构透镜的成像质量。