Photonics Insights封面 | 袁小聪/曹良才教授：走进衍射光学元件

随着科技的飞速发展，人类对光的操控能力也在逐步提升，而衍射光学元件作为这一领域的重要代表，已经历了从简单到复杂、从二元到超表面的历史性变革。应Photonics Insights主编邀请，深圳大学袁小聪团队和清华大学曹良才团队合作撰写了题为“Diffractive optical elements 75 years on: from micro-optics to metasurfaces”（衍射光学元件75周年：从微光学到超表面）的长篇综述，并以“封面文章”的形式发表于Photonics Insights 2023年第4期。

该综述详细且系统地介绍了衍射光学元件（diffractive optical elements, DOEs）从二元光学器件到超表面的发展历程，阐述了衍射光学元件对光场多种自由度的调控机理，综述了其在成像、传输、计算、存储和显示等方向的应用进展，充分展现了人类在这一领域的智慧与努力。

这不仅是对DOEs发展历史的一次全面回顾，更是对其未来发展方向的一次深刻展望。它让我们看到了人类在光学领域的无限可能，也让我们更加期待未来的光学设备为生活带来更多惊喜和变革。

一

衍射光学元件的发展历史

新千年后，随着先进制造技术进一步发展，电子束光刻、聚焦离子束刻蚀、激光直写和纳米压印等加工工艺陆续应用于光学元件加工领域，推动衍射光学元件的像素尺寸进入亚波长时代，超材料和超表面器件开始登上舞台。该领域的早期工作包括了英国科学家John Pendry和美国科学家R. A. Shelby等利用负折射材料开展的系列研究。2011年，美国科学家Federico Capasso提出了广义斯涅耳定律，加深了对超表面灵活调控波前机制的理解。相比于具有三维结构的超材料，二维形式的超表面器件加工工艺简单，可以有效降低加工的时间和成本。

二

衍射光学元件的光场调控

在微衍射光学元件时代，衍射光学元件对光场的调控主要是基于预先编码的条纹图案实现的。这类条纹图案可以改变不同位置光线的光学路径，进而调制光场的复振幅分布。根据条纹图案的振幅和相位分布情况，衍射光学元件又可以进一步分类为二值型纯振幅器件、灰度型纯振幅器件以及纯相位型器件。

进入亚波长时代后，基于更精细的特征结构，衍射光学元件可以调制的光场自由度也不断增加。如图2所示，通过精准的特征结构设计和结构材料选择，包括超表面器件在内的纳米尺度衍射光学元件已经可以实现振幅、相位、波长/频率、偏振和时间特性等光场自由度的调制，可应用于波前调控、偏振复用、非线性调制、分色和消色差等多个方向。

图2 衍射光学元件可调控的光场自由度：振幅、相位、波长/频率、偏振和时间特性

除了上述静态调控能力外，衍射光学元件的动态调控能力也得到了愈来愈多的重视。如图3所示，衍射光学元件的动态调控机制主要可分为结构动态调控和材料动态调控两大类。其中，结构动态调控指的是通过改变结构单元间的空间相对位置实现光场的动态调制，涉及的典型器件包括可拉伸元件、MEMS元件和压电变焦元件等；材料动态调控指的是通过改变结构材料的折射率和各向异性等光学特性实现光场的动态调制，涉及的典型器件包括液晶材料元件和GST相变材料元件等。

三

衍射光学元件的应用方向

凭借其对光场的强大调控能力，衍射光学元件在信息科学的各个领域均具有广阔的应用前景，已成功应用在信息获取、信息传输、信息计算、信息存储和信息显示等多个重要方向中。如图4所示，在信息获取领域，衍射光学元件可用于实现折射率传感、超灵敏位移传感和生物化学检测等需求；在信息传输领域，它可用于实现信号耦合、信号复用/解复用和信号时空编码等需求；在信息计算领域，它可用于构建全光衍射神经网络，实现全光超高速计算的需求；在信息存储领域，它还可用于实现多维度复用的超高密度信息存储的需求；在信息显示领域，衍射光学元件既可作为宽带消色差元件实现逼真全彩显示的需求，也可以作为三维信号载体实现全息三维显示的需求。

四

总结与展望

该团队全面回顾了衍射光学元件的研究历史、调控机制和应用进展。衍射光学元件的目标是通过利用光的波动性质和衍射现象，并结合复杂图案实现光的操控。纵览衍射光学元件发展历史，其简单脉络如下：最初人们通过光学干涉现象提出了光学全息图概念，孕育而生了全息光学元件，代表了衍射光学元件最早期的设计成果之一。之后，计算机技术的发展和微纳光学器件制造技术的进步推动了多元形式衍射光学元件的实现。计算全息图、二元光学元件的诞生是光学器件的一次变革。进入21世纪后，随着尺寸的进一步缩小，衍射光学元件迈入纳米光子学时代。超表面的诞生进一步加速了光学器件的变革。经过75年的发展，衍射光学元件的性能已经取得了巨大进步，尽管在面向最终实用时仍面临一些挑战。

实现快速响应、动态可调、多功能、超宽带、超广角、低成本和高效率的光场调控是未来衍射光学元件亟需解决的问题，也是科学界和工业界的终极目标。引入新的机理、材料、设计和工艺，是应对这些挑战的潜在方案。我们坚信，随着科技的不断发展，衍射光学元件面临的挑战都将得到解决，衍射光学元件有望在信息时代中发挥更大的作用。