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原創(chuàng)丨愛吃帶魚的小分子（學(xué)研匯 技術(shù)中心）
編輯丨風(fēng)云
光的特性重新定義了我們?nèi)绾握J(rèn)識/體驗(yàn)的世界。利用高分辨率顯微鏡、遠(yuǎn)程望遠(yuǎn)鏡、快速照相機(jī)和光譜儀等光學(xué)儀器，我們從原子到天體物理尺度對宇宙世界進(jìn)行了深刻理解，而這些發(fā)展的核心則基于一個光學(xué)組件，它控制光與物質(zhì)相互作用時的特性。受到自然界（通過衍射、干涉和散射構(gòu)造光的能力）的啟發(fā)，研究人員已經(jīng)嘗試使用人工材料來操縱光，如：由于納米粒子的等離子體共振而產(chǎn)生有趣的結(jié)構(gòu)化著色，嘗試通過將金屬納米粒子摻雜玻璃來改變其光學(xué)特性。類似地，1D/2D/3D交替電介質(zhì)的周期性多層堆疊（即光子晶體）表現(xiàn)出與其組成材料不同的極端反射特性，通過構(gòu)造其幾何形狀或材料成分來設(shè)計(jì)物質(zhì)的光學(xué)響應(yīng)，為以非常規(guī)方式利用光的特性提供了另一種途徑。
超表面（平面光學(xué)）可以通過調(diào)整有效介電常數(shù)和磁導(dǎo)率的虛擬異常值，改變輸出電磁響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)光特性的調(diào)節(jié)，超表面也已成為控制光的新平臺。超表面平臺由元原子的周期性晶胞組成，其中晶胞通常由金屬或介電散射體（緊密排列成具有亞波長分離的晶格狀排列）制成。正是由于緊湊的外形尺寸（實(shí)現(xiàn)納米級的逐點(diǎn)偏振變換）、互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體兼容性（實(shí)現(xiàn)寬帶聚焦和多波長全息）、多功能性、對極化和色散工程的優(yōu)異控制性以及可定制性設(shè)計(jì)等特點(diǎn)，亞波長分辨率的光學(xué)散射體組成的平面光學(xué)器件（即超表面或超光學(xué)器件）已經(jīng)成為支撐結(jié)構(gòu)光的重要工具。而具有可調(diào)諧超表面的結(jié)構(gòu)光則有望揭示新的光學(xué)功能，并取代傳統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)用片上光子元件（如：激光腔、法布里-珀羅諧振器、基于光纖的設(shè)備等）。此外，經(jīng)過靜態(tài)超表面的適當(dāng)設(shè)計(jì)還可以通過調(diào)整輸入光的屬性來改變其輸出響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)無需電子電路來調(diào)制輸出響應(yīng)而快速全光切換，從而節(jié)省空間、復(fù)雜性和成本。
圖1 具有靜態(tài)超光學(xué)的可調(diào)諧結(jié)構(gòu)光。
基于平面光學(xué)的眾多優(yōu)勢，美國哈佛大學(xué)Ahmed H. Dorrah和Federico Capasso重點(diǎn)關(guān)注通過調(diào)整輸出行為以響應(yīng)輸入光的一個或多個自由度變化的無源元光學(xué)器件，圍繞使用輸入光的不同屬性（入射角和方向、偏振、相位分布、波長和非線性行為）作為光學(xué)旋鈕來調(diào)整輸出響應(yīng)的超表面進(jìn)行了綜述。相關(guān)綜述以《Tunable structured light with flat optics》發(fā)表在Science上。
角度依賴和方向響應(yīng)
角度依賴性通常以衍射損耗、失真或彗形像差的形式表現(xiàn)出來，是傳統(tǒng)透鏡、全息圖和光束控制應(yīng)用中盡量避免的現(xiàn)象，而實(shí)現(xiàn)每個輸入波矢量的獨(dú)立控制則可以減輕角度依賴性影響并拓展新功能。傳統(tǒng)光學(xué)方式由于衍射光柵對角度的敏感性，很難解決角度的依賴性問題，而局部和非局部超表面技術(shù)則解決了這一難題，其中i）局部超表面在真實(shí)空間中逐點(diǎn)作用于入射光（元原子充當(dāng)多模諧振器，在一組離散的入射角上賦予不同的相位延遲），而ii）非局部超表面依賴于相鄰元原子的相互作用（如：金屬-絕緣體-金屬），利用相鄰元原子之間的非局部相互作用直接對動量空間中的入射光進(jìn)行操作，且使用尖銳的共振來共同修改動量空間中的輸出響應(yīng)。例如：由于與共振角位置匹配的分析物分子會通過表面增強(qiáng)的近場效應(yīng)對遠(yuǎn)場響應(yīng)進(jìn)行強(qiáng)烈調(diào)制，通過在涂覆分析物分子之前和之后檢測來自此類超表面的角度分辨反射信號（非局部超表面上），可以檢索分子吸收指紋的全光譜內(nèi)容。
除了入射角之外，傳播方向（向前或向后）也被用于調(diào)整靜態(tài)超表面（Janus超表面）的響應(yīng)，這些定向設(shè)備可以通過將照明方向從正面反轉(zhuǎn)到背面，表現(xiàn)出不同的著色或不對稱透射。傳播方向是使用由級聯(lián)亞波長各向異性阻抗片制成的元原子來實(shí)現(xiàn)，通過在每個薄片中引入旋轉(zhuǎn)，線偏振光將經(jīng)歷不對稱透射。螺旋元原子也可以實(shí)現(xiàn)類似的行為，由于自旋相關(guān)模式耦合，使其具有正向傳輸?shù)膱A二色性高達(dá)0.72，反向產(chǎn)生高達(dá)0.87的巨大線性二色性的特征，其表現(xiàn)出的高選擇性用于線偏振光的方位角。此外，通過創(chuàng)建具有特定旋轉(zhuǎn)角的兩個元原子對映異構(gòu)體的超表面，也可以實(shí)現(xiàn)方向控制的偏振，結(jié)合角度依賴性和方向性實(shí)現(xiàn)同時在反射和透射中生成不同的圖像。
圖2 角度依賴和定向超表面
極化可切換行為
與傳統(tǒng)體偏振器和波片（依賴于波長為10.6 μm的亞波長Pancharatnam-Berry微帶光柵進(jìn)行波前傾斜和矢量光束生成）不同，超表面對應(yīng)物因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)中元原子具有形狀相關(guān)的雙折射及相位延遲特性，能夠?qū)崿F(xiàn)納米級的逐點(diǎn)偏振變換。而由于雙折射軸可旋轉(zhuǎn)性，從而提供通常表現(xiàn)為Pancharatnam-Berry相的第三自由度。因此，超表面在偏振控制和矢量光束生成方面表現(xiàn)出強(qiáng)大優(yōu)勢。除了控制橫向平面（二維）中的偏振外，還可以實(shí)現(xiàn)沿光路的平行偏振變換。在這種情況下，單個超光學(xué)可以模擬串聯(lián)級聯(lián)的許多偏振光學(xué)的排列，入射光被轉(zhuǎn)換為準(zhǔn)非衍射光束，實(shí)現(xiàn)了對角動量的兩個分量（自旋和軌道）的同時和獨(dú)立控制。值得注意的是，由于空間多模跳動（即具有不同波矢量的共同傳播模式之間的受控干涉），角動量的演變僅在光束的中心區(qū)域局部發(fā)生。當(dāng)在整個橫向平面上積分時，總軌道角動量是守恒的。
具有復(fù)雜偏振可切換行為的最新元光學(xué)的案例：
i）生成遠(yuǎn)場輪廓的超表面，該輪廓對入射光進(jìn)行平行偏振分析。每個偏振態(tài)的強(qiáng)度遵循馬魯斯定律（強(qiáng)度與入射偏振在該特定狀態(tài)上的投影（點(diǎn)積）成正比）。因此，這類被稱為瓊斯矩陣全息圖的超表面通過圖形讀取投影圖案來實(shí)現(xiàn)輸入光的視覺全斯托克斯偏振測量。
ii）四個矩形納米鰭組成的超表面（響應(yīng)任何輸入的正交偏振對）。手性輔助相位調(diào)制部署了級聯(lián)的超表面層來解耦描述每個超原子的瓊斯矩陣的所有四個分量。使用這種方法，在輸入-輸出偏振通道L-L、L-R、R-L和R-R上對四個不同的波前進(jìn)行編碼（L-R分別表示設(shè)備輸入和輸出處的左旋和右旋圓偏振）。通過解耦所有輸入-輸出共極化和交叉極化通道，可以將輸入波前轉(zhuǎn)向四個不同方向；通過在兩個偏振器之間夾入一個雙折射超表面，可以在800 nm波長的不同輸入-輸出偏振通道上加密七個不同的圖像；通過將波長作為額外的自由度，多通道全息術(shù)也得到了增強(qiáng)。此外，平行偏振處理和分析可以設(shè)計(jì)用于偏振表征的新技術(shù)。
圖3 具有偏振相關(guān)響應(yīng)的超表面。
使用結(jié)構(gòu)光進(jìn)行調(diào)諧
由于光子自旋受限于兩個自由度，偏振可切換的超表面主要限于將兩個正交偏振映射到兩個輸出波前輪廓。多通道全息術(shù)可以通過解耦不同的輸入-輸出偏振通道來緩解這一限制。其中，具有超表面的總軌道角動量全息術(shù)已成為克服這些挑戰(zhàn)的多功能波前整形工具，其依賴于將一組正交的渦旋光束（具有螺旋相前的模式）映射到任意數(shù)量的輸出全息圖（受孔徑大小限制）。全息圖像由依賴于總軌道角動量的2D Dirac函數(shù)進(jìn)行空間采樣，以避免螺旋波前核在圖像平面上的空間重疊，其中，總軌道角動量保存全息圖產(chǎn)生像素化圖像，同時在重建圖像的每個像素中保留入射總軌道角動量光束的總軌道角動量特性。總軌道角動量選擇性全息圖對輸入總軌道角動量模式敏感。值得注意的是，在同一個超表面上添加多個總軌道角動量選擇性全息圖將創(chuàng)建一個總軌道角動量復(fù)用元全息圖，將不同的總軌道角動量狀態(tài)映射到不同的全息圖像。此外，由于它們的正交性和無限大小，許多總軌道角動量模式可以通過單個元全息圖進(jìn)行復(fù)用，同時保持高空間分辨率。通過使用輸入-輸出偏振通道作為額外的自由度，可以在相同的總軌道角動量狀態(tài)上對多個全息圖進(jìn)行編碼。
除了總軌道角動量，更通用的波前分布可以用作控制旋鈕來投射不同的全息圖像。盡管超表面是靜態(tài)的，但入射光束包含一個很大的參數(shù)空間，可以改變（重新編程）輸出光束，從而為信息安全和認(rèn)證提供新技術(shù)，例如，級聯(lián)超表面全息術(shù)的密鑰共享的全光學(xué)解決方案：可用于在多個超表面層之間拆分和共享加密的全息信息。這種級聯(lián)的全息圖像可以用作光學(xué)秘密，只有在兩個超表面堆疊并且可以擴(kuò)展到更大的共享集時才會顯示。除了結(jié)構(gòu)光之外，結(jié)構(gòu)暗的復(fù)雜圖案也可以用作超表面旋鈕。例如，除了總軌道角動量模式攜帶的1D奇點(diǎn)之外，通過在任意選擇的幾何形狀上最小化場的實(shí)部和虛部分量來設(shè)計(jì)2D奇點(diǎn)片，通過最大化垂直于待測區(qū)域的相位梯度，已經(jīng)生成了心形奇點(diǎn)片。此外，還構(gòu)建了極化狀態(tài)未定義的矢量奇點(diǎn)片，這些自由度為元全息圖提供了額外的旋鈕，并且由于它們對擾動的極度敏感，可能會提出新的傳感方案。
圖4 結(jié)構(gòu)光作為超表面旋鈕
多波長控制
色散或波長依賴性是所有光學(xué)材料的重要特性。它對消色差聚焦、寬帶全息術(shù)和高速數(shù)據(jù)傳輸都產(chǎn)生影響。眾多研究人員努力試圖通過調(diào)整物質(zhì)的化學(xué)成分（折射率）來調(diào)整色散。超表面通過塑造超原子的幾何形狀為色散工程提供了一條更靈活的途徑，從而在納米尺度上以可重復(fù)的方式改變它們的有效折射率。色散工程超表面可以按需模擬折射或衍射光學(xué)器件的色散特性，隨后成為消色差聚焦、波長相關(guān)全息術(shù)、多功能器件和脈沖整形的有前途的平臺。消色性受移相器的相位和群延遲（一階色散）支配，為了保持寬帶性能，移相器應(yīng)該通過避免尖銳的共振來表現(xiàn)出平滑的色散響應(yīng)。而在尖銳共振附近工作可以有效地解耦不同波長的相位，從而實(shí)現(xiàn)多功能響應(yīng)。
多波長控制已通過交錯超像素、導(dǎo)模共振、耦合元原子和堆疊超表面等實(shí)現(xiàn)。其中，元分子由三種硅納米塊組成，每一種都通過改變每個波片狀納米鰭的面內(nèi)方向來賦予特定波長的幾何相位。盡管實(shí)現(xiàn)簡單，但空間交錯對效率施加了上限并引入了不希望的元原子耦合，這會降低圖像質(zhì)量，產(chǎn)生重影圖像和不需要的衍射級。為了克服這些限制，已經(jīng)提出了垂直堆疊的超表面，其中每一層都針對特定的入射波長進(jìn)行了優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)了消色差聚焦和多波長響應(yīng)，與傳輸操作相比，該方案利用反射超表面有效地將傳播相位加倍，還引入了波長相關(guān)的導(dǎo)模共振，當(dāng)入射光耦合到泄漏表面模式并通過相位匹配重新輻射到自由空間時，就會出現(xiàn)這種共振。這會在共振周圍產(chǎn)生快速的相位梯度，從而實(shí)現(xiàn)廣泛的相位覆蓋，同時將賦予每個波長的相位解耦。雙層超表面可以進(jìn)一步擴(kuò)展設(shè)計(jì)空間，實(shí)現(xiàn)具有復(fù)雜幅度調(diào)制的波長選擇性全息術(shù)。此外，超表面輔助配置也可以用于脈沖整形和時空光控制。
圖5 具有多波長控制的超表面光學(xué)器件
非線性超表面
使用光的自由度作為控制旋鈕可以擴(kuò)展到利用非線性相互作用。從光學(xué)薄結(jié)構(gòu)獲得強(qiáng)非線性響應(yīng)需要比自然體非線性介質(zhì)更強(qiáng)的光與物質(zhì)相互作用，非線性超表面通過巧妙地構(gòu)造納米散射體的形狀和尺寸來解決了這一難題，進(jìn)一步通過放松相位匹配和對稱規(guī)則來增強(qiáng)極小體積上的非線性效應(yīng)。先前的非線性研究依賴于激發(fā)局部表面等離子體激元共振來強(qiáng)烈增強(qiáng)元原子附近的電磁場（強(qiáng)度可以通過設(shè)計(jì)元原子的幾何形狀來定制），這通常需要使用金屬-電介質(zhì)界面，其中非線性源于電位的不對稱性，將電子限制在材料界面。而最近，全電介質(zhì)超表面因其低光學(xué)損耗、強(qiáng)場重疊和對其色散特性的系統(tǒng)控制而受到廣泛關(guān)注，可以實(shí)現(xiàn)基于非對稱參數(shù)轉(zhuǎn)換的定向傳輸，這種設(shè)備可以在紅外輻射照射時產(chǎn)生可見光譜范圍內(nèi)的圖像，同時通過反轉(zhuǎn)照射方向投射不同的獨(dú)立圖像（“前向”照明主要導(dǎo)致磁偶極型散射，而在“后向”照明下，散射主要是電偶極子）。這種功能可以超越光的參數(shù)生成，并且可以在糾纏光子態(tài)的不對稱生成中找到應(yīng)用（在納米尺度上實(shí)現(xiàn)非互易行為和光學(xué)隔離）。
圖6 非線性超表面全息和成像
結(jié)語
在過去的十年中，由于豐富的元原子庫、精確的全波模擬和精確的納米加工工藝，平面光學(xué)的使用已從波前整形和聚焦擴(kuò)展到更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)光操縱。單層和多層元原子的復(fù)雜配置通過簡單地改變輸入光的一個或多個自由度來實(shí)現(xiàn)多功能行為。這種能力允許靜態(tài)單片集成光子組件快速切換其行為，而無需有源電路。這種全光學(xué)控制旋鈕的超表面將成為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和虛擬現(xiàn)實(shí)（AR和VR）設(shè)備、3D顯示器以及無人機(jī)和汽車光檢測和測距（LIDAR）系統(tǒng)的關(guān)鍵組成。盡管如此，在超表面研究和應(yīng)用中仍然存在一些開放的挑戰(zhàn)：i）需要探索更大的自由形狀幾何設(shè)計(jì)空間來擴(kuò)展前向設(shè)計(jì)的納米天線的功能；ii）需要搜索非直觀設(shè)計(jì)技術(shù)來應(yīng)對目前的挑戰(zhàn)，如逆向設(shè)計(jì)和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)；iii）在沒有周期性邊界條件的情況下，元原子耦合現(xiàn)象需要更準(zhǔn)確的模型進(jìn)行剖析。此外，將靜態(tài)和主動超表面的混合配置將有望實(shí)現(xiàn)高空間分辨率和時變響應(yīng)兩者的完美結(jié)合，將結(jié)構(gòu)光從2D推到3D，從凍結(jié)到動畫，從原子到天體物理尺度。
參考文獻(xiàn)：
Ahmed H. Dorrah and Federico Capasso. Tunable structured light with flat optics. Science 376, 367 (2022)
DOI: 10.1126/science.abi6860
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abi6860
