Original 两万人都 爱光学 2022-05-16 15:00 Posted on 江苏
今天是“国际光日”，定在5月16日是为了纪念1960年的今天美国休斯研究实验室的物理学家梅曼制造了第一台激光器。但这一天已经不仅仅是庆祝激光科学的纪念日，更是为了强调光学与光子学不断改变着人们的生活，为人类文明和社会发展做出的贡献。
超表面在光学领域扮演着越来越重要的角色，在通信、医疗健康、能源等领域开辟了广阔的应用机会。今天，我们一起来认识一下这一前沿科技领域。
每一种元素和化合物都有其特有的光谱响应特征，因此通过感知物质对入射光的反射、吸收或者透射，可以描绘出物质的特征“指纹”——成分/结构信息。从高分辨率显微镜到远程望远镜再到快速相机和光谱仪等光学仪器是我们感知和理解整个宇宙的主要工具。这些光感知工具的发展得益于一个核心的光学组件，它能够通过控制光的特性，改变其与物质的相互作用，如早期人们受蝴蝶翅膀颜色的启发，在玻璃中掺入金属纳米粒子，由于纳米粒子的质子共振，使得玻璃产生了有趣的结构性色彩。同样地，与连续性材料相比，光子晶体在一维、二维或者三维的周期性多层堆叠、交替的电解质中，表现出极端的反射特性。科研人员通过设计物质的光学响应构建几何形状或材料组为掌握光的特性提供了新途径。
过去的十多年里，得益于波前整形平台的进步，自适应相机、显微镜、便携可穿戴设备，光通讯以及激光加工等光感知设备和技术发展飞速。波前整形又称为结构光（structured light），通过核心光学组件来操控光的相位、振幅和极化度实现对光谱的重构。由亚波长间隔的光学散射体组成的平面光学器件也被称为超表面或超光学。超表面（metasurface）材料是形成结构光的关键因素，不仅因为其紧凑的尺寸和互补金属氧化物半导体(CMOS)的兼容性，还因为其多功能性和定制设计。通过将结构光可调谐的超表面材料集成到激光腔、法布里-珀罗谐振器、基于光纤的设备等，科研人员已经开发出了具有新功能的光感知设备。
图1 通过实验获得的像素型超表面材料。(A)包含100个像素点的超表面阵列; (B) 扫描电镜照片，证实了超表面缩放系数和椭圆特征尺寸之间的线性关系; (C) 基于超表面的中红外成像系统; (D)(E) 超表面成像阵列对应的四个中红外光谱响应; (F) 提取所有偏振层的共振位置
此外，静态超表面在适当的设计下，也可以通过调整输入光的特性来改变其输出响应，这种多功能的器件可以实现快速的全光开关，而不需要电子电路来调制输出响应，从而节省了器件面积和工艺复杂度。2019年，Shaltout等人通过频率梯度型超表面进行时空光的调制。（Spatiotemporal light control with frequency-gradient metasurfaces）这种连续引导光线的方法通过将一个无源超表面与先进的频梳源组合，创建出一个虚拟的频率梯度超表面。该项技术实现了连续变化的转向角的激光束转向，在短短8 ps内实现了25°角的转向。这项工作可以支持芯片上集成的时空光学控制的解决方案，直接影响到新兴应用，如固态光探测和测距（Lidar）、三维成像，以及增强或虚拟现实系统。
图2 (A) & (B)光频梯度型超表面理论模型；(C) & (D)硅基超表面材料阵列的扫描电镜图片
随着生活的进一步数字化，光谱仪的微型化、可集成化变得越来越重要。微型光谱仪的应用场景包含农业监测，物质检测，医疗健康以及信息安全等(图3)。目前业内主流的实现微型光谱仪的技术有：光栅分光式、MEMS-FPI可谐调滤波式、MEMS-傅立叶变换式以及新兴的超表面材料式。相比于其他技术实现方案，超表面型微型光谱仪的尺寸更小且结构更简单，有望成为下一代微型光谱仪的终极解决方案。
图3 微型光谱仪应用场景：(A)农业监测；(B)物质成分检测；(C)医疗健康；(D)信息安全
传统的光栅分光式光谱仪中涉及的光学元件主要包括准直镜、光栅以及聚焦镜（图4a），这些光学元件要按照特定的光路位置放置，导致此类光谱仪难以进一步微型化。而光本身可以作为光学控制旋钮，例如，同一个光学器件可以作为透镜或者反射镜，取决于光线的入射角；同样地，通过改变光的偏振，一个超表面器件可以在不同的时空进行波前调制。Faraji-Dana等通过超表面材料进行空间光学折叠，用超表面材料替代准直镜和光栅（图4b），使其既可准直又可以分光，使得器件的光路系统大大简化，实现了分辨率约为1.2 nm，体积为7 mm3的微型光谱仪。（Compact folded metasurface spectrometer）该工作中超表面材料的应用大大降低了微型光谱仪的尺寸，使得微型光谱仪可集成于移动终端，如智能手机、平板电脑等，成为可能。
图4 (a)传统光栅分光型光谱仪；(b)超表面材料型光谱仪
除了上面提到的光谱仪，红外成像也备受瞩目，可广泛应用于光学断层扫描、过程监测、夜视仪以及激光雷达和遥感等领域。然而，由于红外光子能量较低，传统红外检测方案需要低温环境，甚至超低温冷却系统。因此，常见的红外相机通常因包含数个光子转换元件和复杂的冷却系统显得十分笨重。在此基础上，澳大利亚国立大学、英国诺丁汉特伦特大学的研究人员突破性地提出了使用非线性光学过程对光子能量进行上转换，以克服红外光电探测器微型化的局限性。相关成果以Infrared upconversion imaging in nonlinear metasurfaces为题，发表在Advanced Photonics上。在这种方法中，红外图像不被直接探测；相反，一个参数化的非线性光学过程被用来将图像转换成更高的频率，并在上转换红外成像的过程中使用普通相机进行监测。研究人员基于砷化镓设计了一个多共振超表面，通过在共振超表面上采用共振频率叠加（SFG:Sum-Frequency-Generation），实现了近红外信号光束与近红外泵浦光束的非线性波混合，以上转换的形式发射可见光谱（图5）。
图5 非线性超表面通过共振频率叠加（SFG）实现短波红外上转换
在该工作中，超快的非线性上转换过程使红外成像具有飞秒级的时间分辨率，因此这一进展为今后在传统显微镜设备中对化学反应进行超高速成像提供了可能性。除此之外，该研究成果因使用超薄（400 nm）的超表面材料，并通过上转换机制避免了红外感知过程中的冷却系统，将有助于实现紧凑型夜视仪器和传感器设备。
基于这种成像原理，研究人员进一步利用超表面相位掩模和单个摄像头实现了对由三个不同物体组成的三维空间景象的3D图像。他们通过采集像平面上的光分布，解析三维景象不同点对应的双螺旋点扩散函数侧页的旋转角度来推算出空间纵向深度信息，而侧页的中心位置则对应于景象不同点的横向位置，同时利用数值重构算法分析像的频谱来获取该景象在不同深度下二维横向平面内的灰度信息。该研究成果证明超表面可用于实现单透镜、偏振不敏感型3D成像；与此同时，该超表面也可以集成到硅基芯片的相机，用于可见光成像，使相机拥有更高的分辨率、更低的噪音。介电超表面不仅可以取代成像光学中的透镜，而且还可以将更复杂的功能引入3D成像系统中，为将来实现质量更轻、响应速度更快、体积更小以及造价更低的立体成像系统作技术储备。
图7 实时超光谱芯片检测流程(a)光谱重构型超表面芯片；(b)超光谱成像调制模组：包括超表面单元，微透镜和CMOS感光元件；(c)超光谱成像快照；(d)超表面单元扫描电镜图像以及相应的由单色仪校准过的透过率图谱
基于众多超表面材料的研究成果，近期，哈佛大学的Ahmed H. Dorrah和Federico Capasso发表了以Tunable Structured Light with Flat Optics为题的超表面可调谐平面光学的综述型论文，全面解读了如何使用不同性质的入射光的超表面对出射光进行调制，包括入射角、入射方向、偏振、相位分布、波长和非线性行为等，作为调整输出响应的光学旋钮。随着结构光领域的不断成熟，对功能更为复杂的超表面的需求也在不断上升。得益于先进的纳米加工技术以及强大的计算算力，超表面原子库得到了一步步的完善，热门的主动可调谐材料发展也非常迅速。科研人员有望能够在不远的将来探索出新功能型结构光可调谐的超表面，为取代片上光子组件中传统的光学系统作铺垫，涉及到的光学传感领域包括将超表面集成到激光腔、法布里-珀罗共振器、基于光纤的设备和主动波前整形工具中。
在过去的十年中，平面光学的应用已经从波前整形和聚焦扩展到了到更复杂的操纵超表面原子库、准确的全波模拟以及精准的纳米制造。单层和多层超表面原子的复杂配置，只需改变入射光一个或多个自由度，就能够轻松实现光学器件的多功能性。这种能力允许静态单片集成的光子元件能够迅速切换其功能，而不需要由电路控制。得益于其较轻的质量、易于集成化、体积小等优点，具有全光控制功能的超表面将成为增强现实和虚拟现实（AR和VR）设备、3D成像（3D displays）、无人机和激光雷达（Lidar）的元器件。例如，自动驾驶汽车可以利用基于超表面的偏振摄像机来辨别道路环境中的不同特征（例如，水与泥坑），而不需要昂贵且笨重的相机系统。此外，超表面透镜也可以被部署在AR和VR可穿戴设备中，通过将近红外光反射到虹膜上，实现精准的眼球追踪，同时不影响可见光的透过，确保了视觉不受干扰。集成了多功超表面的量子发光器，可以实现高效的单光子量子源和量子纠缠的光子状态，而将超表面与单光子敏感的电荷耦合器件相机相结合，可以实现多时间段的成像和快速量子测量。此外，超表面型激光腔还可以用于构建经典以及非经典结构光的复杂态。
总而言之，超表面的应用不胜枚举，从激光光束整形到光通信；从生物医学传感到高光谱、超光谱成像，再到近红外、短波红外微型光谱仪……然而，目前来看，超表面的研究和应用方面还面临一些开放性的挑战。从物理角度来看，拓扑优化的超表面原子库通过探索更大的自由形态的设计空间试图扩大正向设计的纳米天线的功能。逆向设计和机器学习技术将是应对这一挑战的关键工具。解释超表面原子在没有周期性边界条件下耦合的更为精确的模型，还正处于测试阶段。在大规模生产方面，实现大面积和共形超表面的量产技术有待进一步成熟完善。从光波的角度来看，非同轴光的全部矢量性质(例如，控制其纵向场分量)还需要进一步的研究论证。
在不久的将来，静态和主动超表面的混合模型将被整合，以实现两者的最佳效果：高空间分辨率和快速时间变化响应。有了这种多功能的控制水平，可以将结构光从2D推向3D，从静态推向动态，这将有助于释放出更为丰富的光学现象。在接下来的十年里，小到原子大到天体物理都将受益于超表面赋能的结构光技术。
[1] Tittl et al., Imaging-based molecular barcoding with pixelated dielectric metasurfaces, Science 360, 1105–1109 (2018)
[2] Shaltout et al., Spatiotemporal light control with frequency-gradient metasurfaces，Science, 365, 374–377 (2019)
[3] Faraji-Dana et al., Compact folded metasurface spectrometer, Nat. Commun., 9:4196 (2018)
[4] Rocio Camacho-Morales, et al., Infrared upconversion imaging in nonlinear metasurface, Adv. Photonics, 3,3, 036002 (2021)
[5]Jin et al., Dielectric metasurfaces for distance measurements and three-dimensional imaging, Adv. Photonics,1, 1, 036001 (2019)
[6] Xiong et al., Dynamic brain spectrum acquired by a real-time ultraspectral imaging chip with reconfigurable metasurfaces, Optica, 9:5, 461-468 (2022)
[7] Dorrah et al., Tunable structured light with flat optics, Science, 376, 367 (2022)
