【资讯】超构表面：开启光场调控的更多可能

2025-10-30 18:07:44

一、背景介绍

1968年，Veselago首次提出左手材料的概念，超构材料这一崭新的领域宣告诞生，并在随后的数十年里逐渐发展成熟，取得广泛应用。然而，超构材料面临着微纳加工工艺的限制与效率损耗的问题，这制约了其进一步的发展。

作为超构材料的二维形式，超构表面通过在二维平面上排布超构原子——亚波长级别的散射体或者孔洞——实现特定的电磁调控功能。相比于超构材料，超构表面在保留光场调控高自由度的同时，显著减轻了加工制造难度，提高了器件的能量利用效率。目前，超构表面的工作波长范围已经覆盖微波、太赫兹、红外、可见光、甚至紫外，在成像、全息、量子光学、精密测量、虚拟现实与增强现实、传感、加密等诸多领域具有重要的应用。

在系统性地介绍超构表面的工作原理与基本设计理论的基础上，浙江大学马耀光研究员课题组对于超构表面应用的主要发展方向，分别以具体的一类或者几类典型器件为例，介绍其设计方法与研究进展。最后，从多个维度上讨论了超构表面领域面临的主要挑战，并对其未来发展进行展望。

二、关键技术进展

（1）偏振复用的超构表面

通过偏振敏感的超构原子设计，对以特定偏振态入射和出射的光引入独立的相位调控，从而实现偏振复用的多功能器件，是超构表面相较于传统光学元件的重要优势之一。

2015年，Faraon教授课题组提出，对于工作在单一波长的超构表面器件，在超构原子设计自由度充足的理想情况下，联合几何相位与传播/谐振相位的混合相位调控机制可以实现任意的偏振和相位调控。基于此，2017年，Capasso教授课题组实现了对任意正交偏振态的独立相位调控，如图1（a）所示；2018年，黄玲玲教授课题组及其合作者实现了多通道偏振复用的超构表面全息图，如图 1（b）所示。2023年，熊波等通过引入非相关的噪声，打破了偏振复用通道高于3时各通道相位调控之间的线性相关，进一步突破了偏振复用的基本极限，如图 1（c）所示。

图1 偏振复用的超构表面全息图的全息显示效果。（a）对正交圆偏振光复用的全息显示；（b）多通道偏振复用的全息显示；（c）11通道线偏振光复用的全息显示

（2）波长复用的超构表面

彩色全息显示一直是全息超构表面领域追求的目标。为生成彩色的全息图像，超构表面需要对红绿蓝三种波长的入射光引入独立的相位调控，使其分别生成对应颜色分量的全息图像，最终合成为完整的彩色图像。

令单个超构原子同时满足多个波长的相位调控要求，在设计中往往很难做到。基于空分复用的策略，2016年，黄玲玲教授课题组及其合作者让对应不同波长分量的超构原子在基底上以一定的图案排布，实现了兼具彩色打印与彩色全息显示功能的超构表面，其生成的全息图像如图 2（a）所示。2020年，胡跃强等利用偏振复用超构表面的各偏振通道对各波长的相位调控进行解耦，实现了如图 2（b）所示的彩色显示效果。此外，令每一波长的入射光均能生成空间上相互分隔的所有颜色分量的全息图像，但以不同角度入射，从而在有效视场里只保留目标图像，也可以实现如图 2（c）所示的彩色全息显示效果。

图2 基于不同原理的超构表面彩色全息图生成的全息图像。（a）基于空分复用原理；（b）利用偏振对超构原子对各波长的相位调控作用进行解耦；（c）利用不同波长的光以不同角度入射的方法

（3）宽带的超构表面

超构透镜的宽带消色差问题一直以来都是困扰学术界和产业界的难点问题。2018年，蔡定平教授课题组和Capasso教授课题组分别独立建立起了消色差超构透镜的设计理论，并利用混合相位调控机制来同时满足消色差成像对相位和群延迟调控的需求。其中，蔡定平教授课题组设计的可见光波段消色差的超构透镜的成像效果如图3（a）所示。理论研究表明，消色差超构透镜的带宽、尺寸与数值孔径指标之间存在基本的限制关系。为突破这一限制，2023年，马耀光研究员课题组提出准消色差超构透镜的概念，仿照相位的2π周期延拓，对群延迟以一定的周期进行延拓，从而可以放松超构原子可实现的群延迟范围的约束，对一系列的离散延拓波长实现消色差的效果，如图3（b）所示。

图3 宽带消色差超构透镜的成像性能。（a）一种消色差超构透镜的成像效果；（b）一种超宽带的准消色差超构透镜对不同波长入射光的聚焦效果

（4）大视场的超构表面

对于大视场超构透镜而言，限制视场角的核心因素是各种轴外像差，尤其是慧差（彗差会导致成像的不对称，对成像质量有严重影响）。双曲相位分布仅适用于小视场下，为适应大视场的成像应用，必须引入新的相位分布，如通过光学设计软件优化设计的相位分布，以及罗先刚教授课题组提出的二次相位分布。但是，单片平面超构表面不可能同时完美校正球差和彗差，任何相位分布都将是球差、彗差、数值孔径和效率之间的权衡。

图4 三种大视场超构透镜的成像效果。（a）采用单片超构透镜加光阑的系统结构；（b）基于二次相位；（c）基于二次相位

（5）多层级联的超构表面

通过级联多层超构表面相互配合，有望实现单片超构表面难以完成的设计任务，如大视场成像、非互易器件、光学神经网络等。级联超构表面中，层与层之间的距离决定了相邻层超构表面的关系，对应不同的模型和设计方法。当层间距较大，不存在层间相互作用，可先协同考虑和设计各层的相位分布，而后独立设计每层超构表面；当层间距较小，耦合作用无法忽略，可利用逆向设计方法进行设计。

（6）非局域超构表面

近年来，超构原子间的耦合作用开始逐渐受到关注，非局域超构表面的概念被提出和发展，由此衍生出自由空间压缩等多种新颖功能的器件设计。2020年，Valentine教授课题组利用非局域超构表面实现了二维图像微分的功能，如图5（a）所示。2021年，Brongersma 教授课题组发现，非局域和高光学品质因数的超构表面可以实现在不同波长下完全解耦的光学功能。基于此设计的超构表面可用于普通眼镜上，在不妨碍可见光波段成像的前提下，将来自眼球的红外光重定向到相机，从而实现眼球跟踪的功能。

图5 非局域超构表面的应用。（a）图像微分；（b）眼球追踪

三、总结与展望

超构表面具有超轻和超薄的平面架构，易于集成和实现光学系统的小型化，其强大的电磁调控特性支持灵活的设计，且有望实现低成本的大规模制造。

然而，超构表面依然面临着设计和加工制造上的多重挑战。如何实现更高性能和更大尺寸的器件，依然将是领域内长期面临的问题。一方面，明晰超构表面理论上的性能极限对于指导未来走向具有重要意义；另一方面，也需要在设计方法和数值仿真工具上有所突破。目前对于传统的基于局域周期性近似的单层超构表面的研究已趋于成熟，但是在非局域、多层级联、时空超构表面等领域，尚存有大量空间有待探索。

参考文献： 中国光学期刊网

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