第一作者：李傳林
通訊作者：余鵬、王志明
通訊單位：電子科技大學
核心內容：
1. 回顧了全電介質超構表面的發展歷史。
2. 闡述了其通過引入相位突變實現廣義斯涅爾定律和非自然衍射等光物質相互作用的物理機制。
3. 總結了全電介質超構表面的制備方法和應用。
研究背景
超構表面是亞波長厚度的具有納米圖案的人工材料。通過設計超構表面的材料成分、內部和外部的諧振、尺寸以及工作環境，可以獲得想要的有效折射率分布和光譜特征。近年來，全電介質超構表面作為一個重要分支，因其在光學頻率域的低損耗和損壞閾值高等優良性質，得到了眾多科學家的關注和研究，并在波前整形和量子光學中獲得了廣泛應用。
綜述簡介
日前，電子科技大學王志明教授課題組及其合作者回顧了近幾年波前整形和量子光學中的全電介質超構表面的發展。2020年6月28日，論文在線發表在期刊《Progress in Surface Science》上。
在這篇綜述中，作者們回顧了全電介質超構表面的發展歷史；闡述了其通過引入相位突變實現廣義斯涅爾定律和非自然衍射等光物質相互作用的物理機制；仔細地總結了全電介質超構表面的制備方法，包括自組裝法、選擇性光刻蝕法、激光輔助光刻法、聚焦離子束銑法和納米壓印光刻法等；系統地討論了全電介質超構表面在結構彩色打印、全息成像、太赫茲成像、計算成像、超透鏡、平面反光鏡、平面光傳感和飛秒脈沖整形等波前整形應用，以及渦旋源發生、量子糾纏、干涉和態重建、高階諧波產生和混頻、加強光激發和連續體中的束縛態等量子光學應用。最后，作者們給出了全電介質超表面值得在多個方向深入拓展研究的建議：
雙層扭曲結構；
與二維材料結合；
光物質強耦合作用；
電介質-金屬混合結構；
先進仿真模擬優化算法。
圖1. 全電介質超構表面的制備方法及應用的發展史。
要點1：綜述簡要地闡述了全電介質超構表面的光物質相互作用的物理機制。
根據費馬定理和動量守恒定律，超表面的折射和反射現象遵循廣義斯涅爾定律。即正相位梯度和負相位梯度，提供了任意方向的反射和折射，同時可以指定衍射方向。電介質納米結構產生的米散射，同時激發了電偶極子和磁偶極子以及高階極子，這是全電介質超構表面在線性和非線性光學中工作的基礎物理機制。
圖2. 超構表面光物質相互作用：非自然的反射、折射和衍射。
要點2：綜述全面地總結了全電介質超構表面的制備方法。
多種全電介質超構表面的制備方法各有優劣，體現在經濟成本、產量、時間成本、單元結構縱橫比、可實現的幾何結構和分辨率等方面。利用光刻技術的自上而下的制備方法可以實現高空間分辨率和高重復率，而自下而上的制備方法，具有大尺度和簡易的特征。
表1. 全電介質超構表面各制備方法的參數比較。
要點3：綜述系統地討論了全電介質超構表面在波前整形和量子光學中的應用。
基于全電介質超構表面的結構彩色打印，具有窄線寬的反射光譜、高效率和高飽和度等優良特征。未來可以加強透射濾鏡和動態調控研究。同時在材料選擇時，要兼顧與先進集成電路的兼容性和產生顏色的品質。
僅基于相位的全息成像、復振幅全息成像和多色像素全息成像使得全電介質全息成像技術的空間體積大大減小。尤其是，偏振敏感型全息成像為信息編碼提供了更多的獨立通道。未來可以結合金屬氧化物加強可見光波段的高效率和高分辨率的全息成像研究，同時要發展多自由度調控和多功能的全息成像技術。對于后者，可以綜合考慮空間分辨率和光譜分辨率，實現全息彩色打印。
表2. 全電介質全息成像的關鍵參數比較。
全電介質超構表面為太赫茲成像提供了新方案，避免了高功率源和高響應性能探測器等對直接太赫茲成像的要求。未來可以強寬帶寬和可調諧研究。
信噪比高和混色效應低是基于全電介質超構表面的計算成像的主要優點。未來可以加強寬波段和無色差研究，同時考慮計算軟件和光學硬件一體化協同作用。
近年來，全電介質超透鏡在消色差、可調諧、寬帶、高聚焦效率和大數值孔徑等方面取得一系列進展。其在移動相機、虛擬和增強現實以及顯微鏡等方面具有重要應用前景。未來可以加強研究寬帶消色差和提高材料的平整度和純度。
表3. 全電介質超透鏡關鍵參數的比較。
平面反射鏡和調制器結合，可以滿足光通信和遠程傳感的需要。基于全電介質超構表面，高效率的正入射平面反射鏡被實現。未來可以加強斜入射條件下的研究。
高響應速度、高靈敏度、高品質因數、選擇性、無標簽分析和低成本等優點，使得全電介質平面傳感器在食品安全、生物化學、空氣質量檢測和控制等方面受到廣泛關注。未來可以加強研究可見光和紫外波段的平面光傳感。
基于全電介質超構表面，實現了飛秒光脈沖的分裂、壓縮和拉伸。未來可以加強其在超快現象和高速光通信上的研究。
渦旋源攜帶軌道角動量，提供了量子信息處理高維協議需要的多自由度。尤其是，J-盤能夠同時攜帶自旋角動量和軌道角動量，即產生全角動量態。級聯的J-盤，通過偏振控制，可以實現分立的全角動量態和全角動量疊加態。未來可以加強提高多級級聯后透射率和效率的研究。
穩定和可擴展的量子態層析、準確的量子態重建以及量子干涉和糾纏等先后被在全電介質超構表面上實現，在量子計算和量子通訊領域具有廣闊應用前景。未來可以加強研究單個超構表面在經典光源激發產生糾纏源以及高維量子態的產生。
近年來，全電介質超構表面在非線性光學領域引起了重視，其在高次諧波和混頻產生上具有諸多優點。一是，具有高電磁致透明和高損壞閾值。二是，在時域和頻域上均可調控。三是，具有向阿秒光子學發展的潛力。未來可以考慮將光分束和混頻功能集成在一個超構表面上，實現宣布式量子光源。
表4. 高次諧波產生的性能參數比較。
將全電介質超構表面和量子發射器結合，可以增強光致發光的強度和修改偏振依賴性。未來可以加強研究延長相干時間。
小結
有源光子長期存在一個矛盾，即高速和低能耗。連續體中的束縛態為此，提供了一個解決方案。近年來，基于全電介質超構表面的自旋霍爾效應、高階諧波產生以及全角動量態產生受到科學家們的關注和研究。未來可以加強研究基于連續體中的束縛態的片上量子光源。
這項工作得到了國家重點研發項目基金（2019YFB2203400）、“111”引智計劃基金（B20030）、電子科技大學共享電磁波和物質作用研究設施基金（Y0301901290100201）等的支持。此外，余鵬博士獲得國家博后科學基金（2019M663467）和四川省科技自由研究項目基金（20YYJC3609）等的資助。
參考文獻
ChuanlinLi, et al. Dielectric metasurfaces: From wavefront shaping to quantum platforms. Progress in Surface Science.
DOI: 10.1016/j.progsurf.2020.100584
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0079681620300137
