北京理工大学综述光学超构表面的最新进展
2022-07-17 13:26:26   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

超构表面（Metasurface）是一种人工设计的由亚波长共振超原子组成的平面纳米结构，由于其重塑光学纳米级特性的能力而备受关注。超构表面可以通过不同方式塑造光的波前、偏振和非线性响应，在光操纵方面展现了独特能力，已成为一个快速发展的研究领域。

超构表面的设计可以利用广泛的几何形状、尺寸、空间方向、组合机制和波前处理技术，使其用途广泛且适应性强。由于超构表面能够以超常的方式操纵光的振幅、相位、偏振和频率，因此可以用于各种光学应用，包括全息、彩色印刷、光束整形和边缘检测、偏振生成和检测、太赫兹波的创建和利用，以及光加密通信防伪技术等。

据麦姆斯咨询介绍，北京理工大学光电学院黄玲玲教授团队近期以“Recent Advancement in Optical Metasurface: Fundament to Application”为题在Micromachines上发表了一篇综述文章。在这篇文章中，研究人员简要讨论了超构表面波前调制的三种基本机制；讨论了超构表面在波前调制和全息显示领域的研究进展，以及新的研究方向，例如超构透镜、级联超构系统和涡旋光束产生；最后对超构表面的潜在挑战和未来研究方向进行了总结。

超构表面任意波前调制原理

在传统的光学元件和衍射元件中，入射光束的调制是通过收集相位延迟来实现的，这大大限制了光学元件的集成。而在超构表面中，波前调制是通过控制和修改入射光束的振幅和相位分布来实现的。光学超构表面的这些有趣特性，提供了额外的灵活设计。由于与电磁场的一些强相互作用，电或磁共振有助于波前控制，以及纳米级波前控制。调制相位分布提供了对光束传播、发散和信息编码的最终控制。在这篇综述文章中，研究人员介绍了特定偏振态下相位操纵的三种基本机制，包括线偏振光的等离子体色散、圆偏振光的PB相位以及偏振不敏感惠更斯原理。

潜在应用：波前整形

自超构表面兴起以来，它就展现了卓越的波前整形能力，为很多领域展现了广泛的应用前景。在对超构表面各种偏振态下调节相位和振幅的理论和方法进行分类后，研究人员介绍了平面超构透镜、超构表面全息以及级联超构系统等潜在应用。

利用V形纳米天线Capasso等人开发了一种电信波长纳米天线超构透镜，聚焦效率仅为1%。

（A）实验超构表面生成全息图，图中显示了“PURDUE”一词。（B）显示了基于纳米棒的全息元件的单元结构。（C）展示了多色超构全息的线偏振图像。（D）超构表面全息显示，其中三个主要颜色分量可以使用离轴照明方法解码，并可以生成它们的二次叠加颜色。

利用级联超构表面的动态波前控制

矢量涡旋光束的产生

圆柱矢量涡旋（CVV）光束具有螺旋相位波前和空间各向异性偏振特性，由于其更好的稳定性和光束完整性而备受关注。此外，它还提供了新的自由度，可用于各种应用，包括通信系统、光束操纵和光学成像等。超构表面作为PB相位部分工作，在空间发生变化，可以产生涡旋相位和矢量极化。其中一个级联超构表面用于改变与涡旋关联的拓扑电荷数，另一个超构表面用于改变局部偏振。不过，宽带毫米光谱范围内涡旋光束的形成还没有研究。

（A）（B）报道探索了使用q-plate方案和可编程SLM产生CVV光束的新方法。q-plate方案由级联双超构表面和一个半波片组成，能够将CVV光束的偏振阶数最高调控到8。（C）还有研究提出了一种使用两个级联超构表面生成CVV光束的简单有效方法。

结论与展望

研究人员预计，当合适的应用满足商业化制造的要求时，超构表面将最终实现产业化。当然，它们并不是要全部取代传统的衍射和折射光学元件，因为传统的光学元件对于许多应用来说已经足够好且经济。到目前为止，我们已经可以看到光学超构表面领域令人振奋的进展。尽管如此，仍然需要更多的投入，以在各个领域实现应用落地。

在这篇综述文章中，研究人员最后总结了一些最相关的超构表面研究领域，旨在为其他学者提供战略方向。

● 探索和开发超构表面成分等具有创新特性的新材料，将成为未来的研究重点。过去十年来，石墨烯、ITO、VO₂和TiO₂等新型材料的出现已经开启了许多光学应用。这些材料具有独特的光电特性，展示了新颖的超构表面功能。此外，能够克服等离子体材料显著损耗，同时保留等离子体共振有趣特性的超构表面材料的需求很高。

● 另一个有待研究的方向是具有宽带响应和可控性的超构表面。超构表面正被用于实现经典光学元件的很多功能。超构表面的窄带宽和较大的光谱散射是其显著缺点。透镜等一些光学元件，需要较宽的带宽以及较小的光谱像差。此外，超构表面应该能够灵活地修改其特性，以便用于显示器和光调制器等设备。设计并实现完全可重构且可编程的超构表面的需求很高。

● 第三个研究方向是在当前系统中应用超构表面，这可能是将超构表面创新市场化的最快方法。这一概念在许多应用领域具有很大潜力，包括临床监测、光学成像、光通信、光学激光束和热探测器等。

● 另外，基于先进的机器学习计算技术开发具有良好性能和功能的超构表面，是另一种新颖的设计方案。在光学和光子学领域，人们迫切需要探索这些先进的机器学习方案，其中超构表面将扮演至关重要的角色。

论文链接：https://doi.org/10.3390/mi13071025

延伸阅读：

《超材料和超构表面技术及市场-2021版》

《光学和射频领域的超构材料和超构表面-2022版》