超表面的“光旋钮”

Light新媒体 中国光学 2022-05-30 19:45 Posted on 吉林

撰稿人 | Z（清华大学 博士生）

我们接受信息的绝大部分来源于视觉信息，而光，则是承担了信息传递的重要角色，小到原子微粒，大到天体宇宙，无一不和光有着紧密联系。而光学组件，便是我们与光发生联系的媒介。因此，发明和制备更加先进的光学组件，意味着我们既能自由的操控光发出信息，也能利用这些组件接受更多的信息。

光有一些基本的属性，比如频率，影响我们观察的颜色；振幅，影响我们观察的强度；相位分布，影响光的相互作用形式，等等。

最开始我们仅仅利用自然界存在的材料来处理光信息，比如简单的聚焦、成像、发光等等。直到超材料（名词解释>）——一种人工微结构材料的出现，彻底革新了人们对操控光的认识，原来，还可以如此高自由度的对光进行操控。

超材料的出现起源于对折射率的研究，最初由于加工条件，率先在微波频率实验验证，此后二十年，迅速发展到太赫兹、红外、可见光波段。直到现在，可见光超材料已经是非常庞大的一个研究体系。

超表面（名词解释>），作为一种二维形式的超材料，因为其非常兼容当前集成电路工艺、且体积小、适合微型化，因此得到迅速发展，现已成为超材料最大的分支之一。超表面在成像、探测等方面有着巨大的应用前景，而来自美国哈佛大学的 Capasso 研究团队，便是研究超表面的国际知名团队。

超表面的发展也历经几个重要阶段，最开始人们仅仅利用超表面实现一些特定的任务，例如异常散射行为、消色差聚焦等等。但是随着研究的进行，人们不再满足于单一功能的超表面，希望单个超表面能够实现尽可能多的任务，因此，可调超表面应运而生，人们很自然想到，如果添加一些外部因素，诸如电场、磁场、调控光束等条件，来改变超表面的状态，使得实现不同任务之间的切换。沿着这个思路，也发展出了众多的动态可调超表面，在同一个器件上面，动态可调的实现了多功能性。

以上是非常自然的一条思路，在此前提就是，人们默认静态超表面只能实现特定的功能任务，这是因为大家常常忽略一件事情：光作为信息的传递者，在与超表面的相互作用过程中，本身就可以作为一个可调的自由度来考虑。

而这，正是接下来要介绍的这篇综述的出发点：我们追求在一个静态的超表面上，利用入射光的不同属性来实现功能可调性。

来自美国哈佛大学 Ahmed H. Dorrah 和 Federico Capasso 研究团队，致力于利用静态超表面实现可调结构光与平面光子学的关联。他们围绕近十年来，利用输入光自身的不同属性作为“光旋钮”，来调整输出响应的超表面的相关研究工作进行了综述。

超表面让我们可以像拼图一样去构建光学功能模块

图源：Light新媒体 / VEER

相关综述以 “Tunable structured light with flat optics” 为题发表在 Science。

在这篇综述论文里，研究团队对这些静态器件进行更深入的研究，重点放在被动光学器件上，这种器件可以根据输入光的一个或多个自由度来调整其输出行为。这种性质的设备通常依赖于元原子层面复杂的光与物质的相互作用，这是其他平台(例如，空间光调制器)无法轻易复制的。这种可调谐性通常通过不同类型的共振(米氏散射、Fano 共振、连续介质中的束缚态)等等来实现，从而扩宽了当前的光学可调范式。

作者主要综述了五种可调方式：入射角和入射方向、偏振状态、相位分布、波长、非线性行为。

  1、利用入射角和入射方向来实现可调  

在传统光学透镜中，由于角度依赖导致成像会出现色差，这是由于这些角度带来的误差无法被精确的控制，因此成为了不希望出现的现象。而超表面，让我们能够实现对角度依赖的精确设计，角度依赖可以成为一个能够被利用的自由度，引入到可调结构光的领域中。

具体来说，研究者利用多个谐振单元之间的相互耦合对入射光角度的依赖，实现了从不同角度入射，反射相位的分布可以被调控和设计。因此可以在同一个静态超表面上，通过设计，实现不同角度的入射，得到不同的全息图案，意味着，可以通过入射角的改变，来改变该静态超表面的输出响应。利用这种特性，我们可以将入射角作为一个变量，对入射光进行加密或者是通信，进而在光学显示器件、虚拟现实等领域可以有很多应用的价值。

除了入射角之外，还可利用传播方向(向前或向后)来调整静态超表面的响应。这通常被称为 Janus 超表面，当光线从相反的方向照射到这类超表面上，表现出不同的全息图案或不对称传输，这是利用亚波长尺度的各向异性阻抗片制成的超原子来实现的。通过在每个片上引入一个渐变的旋转，线偏振光将进行非对称传输。

简单来讲，就是构建超表面结构，使得其光学响应依赖其与入射光的相对取向关系。对于同一个静态超表面，当光从左往右照射，与从右往左照射时，透射光的相位分布有所区别，因此得以实现不同的全息图案，也为研究非互易传输等光学现象提供了一个研究平台。

  2、利用偏振状态来实现可调  

与传统的偏振片不一样，超表面得以在亚波长量级的尺寸上，实现点对点的偏振状态控制，因此可以实现更为复杂的偏振状态。利用几何相位，通过精心的设计各介质快的旋转角度，可以单独控制每一点的偏振状态。利用水平、竖直两个正交方向的偏振入射到超表面上 ，借助于不一样的响应可以在后面实现不同的全息图像。

除了上述的入射偏振不同带来的输出响应不同之外，利用超表面还可以在远场实现偏振状态的传输，结合聚焦和全息技术，可以在轴向距离上实现不同偏振态的同时存在，这在传统透镜或者偏振元件中是难以实现的，利用一个静态的超表面结构便可以模拟多个偏振器件串联起来的效果。得益有超表面超高的偏振设计自由度，以及亚波长尺寸像素级的点偏振控制，我们还可以控制涡旋光的偏振状态。

  3、利用相位分布来实现可调  

光子自旋角动量体现在光波的偏振上面，除此之外，光场在空间上的相位分布还可以让光场携带一个轨道角动量。相位空间分布的引入使得多通道全息术有了更高的可调自由。通过排列超原子的分布，研究者实现了对涡旋入射的不同响应类型，有选择某个特定涡旋输出、不同涡旋输出不同相位空间分布等性能。

涡旋光、超表面、全息术的结合可以在加密方面有一定应用价值。在利用涡旋光进行加密传输时，只有在正确的结构光照射下，才能在后面得到正确的全息图案，否则将引入随机噪声，使得全息图案模糊，即起到加密传输的效果。

更有意思的一点，静态超表面甚至可以做出动态全息图像。通过精确设计超表面结构，使得其对于不同结构的涡旋光产生不一样的全息图案，再在入射光路中，将入射光束调制成时间依赖的关系，如此便实现了在不同时刻出现的涡旋光结构不同，带来全息图案也随着时间演变，实现了静态超表面结构完成动态全息视频的效果，这在VR等领域有应用价值。

  4、利用波长来实现可调  

光的波长，也就是光的频率是光的一个重要属性。而材料对不同频率的响应不同，叫做色散现象，比如生活中比较常见的三棱镜对太阳光的分光现象。而利用强烈的色散行为，我们可以设计超表面来实现其对于不同波长，产生不同的输出特性，即频率的空间复用。研究者利用不同的介质立方柱对不同的频率响应不一样，可以在同一个静态超表面上集成多种介质柱子，使得其对于不同频率的光形成的全息图案不一致。

考虑到层间不同形状介质柱之间的耦合，会对最终的结果产生干扰，同时也随着现有的加工体系越来越完备，有研究者提出了多层超表面结构。即利用不同层对不同波段响应，可以在不同波长的入射下形成不一样的全息图案。

除了上述波长实现对全息图案或者涡旋光结构的控制，超表面的可设计色散行为还可以在激光脉冲的压缩和展宽方面有着特有的优点。利用超表面对不同频率的光有不一样的响应，通过在频域内对各频率进行操控，再回到时空间合成时域信号，可以实现光束的偏折。同样的，利用超表面对各频点光束相位和幅值的调控，波长依赖的超表面在脉冲压缩和展宽也展现了特有的优势。对于我们发展微型脉冲激光迈出重要一步，由于超表面相对于传统的光栅、透镜而言，在可见光的尺寸占据很大优势。

  5、利用非线性行为来实现可调  

利用超表面实现光学非线性，最开始是利用超表面对场的局域增强来增强材料本身的非线性行为，随着研究的发展，目前人们可以通过构建复杂而又精确的超表面结构，来实现更为复杂和丰富的非线性行为。利用 U 形金属谐振环，对入射的圆偏振光产生非线性响应，产生二次谐波。通过对超表面的设计，实现基频到基频的全息图像和基频到倍频的全息图像有所不同，并且出射的不同自旋的全息图案也不一样。

以上五个部分，并不是完全独立分开的，有时候也可以将其中某几种特性结合在一起。

随着当前对超表面研究越来越深入，并且加工手段也越来越丰富，近十年来出现了很多关于超表面的优质研究成果，并且在成像、VR 等领域，超表面已经逐步走向了应用。

本文仅仅综述了光自身属性作为光旋钮，切换静态超表面的输出响应，使得被动式超表面也能够实现主动式超表面那样丰富的功能。但是也不能完全代替主动超表面，因此作者展望未来，静态超表面和动态超表面的结合或许会把超表面和光的相互作用推向一个更高的高度。同时在超表面的设计方面，在未来，引入人工智能辅助设计也正在成为越来越多科研工作者正在进行的工作。

  论文信息  

Dorrahet al.,Science376, 367 (2022)

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

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监制 | 赵阳

编辑 | 赵唯