封面 | 多功能超构表面，光场调控中的“活字印刷”

封面解析：封面展示了基于多功能超构表面的多维度光场调控应用。超构表面中每个单元的几何形状与排列方式都经过精心设计，以对入射光进行波前整形。对于图中左下方不同偏振、波长或携带轨道角动量的光束，经过超构表面调制后的出射光会有不同的相位响应，应用于全息显示、光通讯、结构光的产生，光镊以及彩色成像等。

《光学学报》2022年第21期封面文章 | 刘梦蛟; 李添悦; 戈钦; 王漱明; 王振林; 祝世宁. 多功能超构表面的相位调控机制及研究进展[J].光学学报, 2022, 42 (21): 2126004.

导读：本文从分析超构单元产生的相位调控原理入手，讨论如何利用多个光学自由度实现多功能的光学响应，并以非晶硅矩形纳米柱组成的超构表面为例，展示了不同相位机制下对光场的多维度调控能力，希望为超构表面的灵活设计提供理论支持，同时对多功能超构器件的研究进展进行介绍和展望。

 《光学学报》于 2022年42卷第21期推出“光电科学与前沿科技”专题，其中，南京大学物理学院王漱明教授课题组“多功能超构表面的相位调控机制及研究进展”被选为本期封面文章。

1、研究背景

活字印刷术是我国古代的“四大发明”之一，先辈们预先制成各种各样单字的反文字模具，按照不同的稿件将模具排列在字盘内，涂墨印刷，最终制成一幅幅装帧整齐、珍贵的书卷。各种各样的光场具有相位、偏振、波长等信息，而在微纳结构尺度下，可否将材料预先设计好作为“模具”，当需要产生特定形状的光束时，再将之填进去呢？

图1 北京奥运会开幕式活字印刷术精彩展示（图片来自网络）

答案是肯定的。随着微纳加工领域的进步，人们能够制备这种光子“模具”的纳米天线阵列，从而产生任意的结构光场。2011年，哈佛大学Capasso和复旦大学周磊老师课题组同时提出折反射定律中“相位梯度”的物理图像，通过设计不同的纳米天线，可以对入射光进行偏折、从而控制出射光场的辐射。这种具有亚波长结构尺寸的微纳光学器件被称为“超构表面”(Metasurface)，它们能将光局限于衍射极限尺度，极大提升了光场分辨率，且具有轻薄、可实现多功能集成等优点，有望在下一代光子集成器件中发挥重要作用。

超构表面领域发展的10年间，虽然已分别用不同的相位机制打造出超构透镜、隐身地毯、超构量子光源等紧凑型器件，然而由于带宽、手性、介质高度等限制，难以实现对偏振态和波长等其他自由度的灵活调控。因此，为了实现对光场的多维度调控，如何设计多功能复用的微纳光子器件成为了近年来的研究热点。

2、超构表面

按照物理机制的不同，超构表面的相位调控原理可分为共振、几何和传播相位，它们在调控波前方面各有优劣。由于几何相位与其他两种机理不同，通过共振相位加几何相位或传播相位加几何相位的模式应运而生；实践证明，这些相位能够同时调制多个光学自由度，使多功能光学器件的设计和制备成为可能。

超构表面的偏振态可由琼斯矩阵进行描述，当正确选择偏振光方向沿着如图2（a）所示的双折射纳米结构快轴和慢轴时的相移f⁺、f^-以及纳米柱的转角q 时，可以构建与超构表面对应的琼斯矩阵，从而获得所要调控的偏振和相位分布。接着，由传播相位的原理，构建如图2（b）中所示的包括不同几何形状纳米柱的结构库，则可根据出射光应获得的相移选择具有合适几何参数的纳米柱。此外，转角为q 纳米柱对出射正交偏振分量施加2sq的几何相位（s=±1，表示右旋和左旋圆偏振入射光），将选定的纳米柱进行一定的排列形成超构表面，就可以使单个器件出射的各个偏振态携带多种光学信息。

图 2  双折射纳米柱和结构库。（a）纳米柱结构单元；（b）纳米柱的相位库

图3为设计的三种偏振复用的超构表面的示意图和有限时域差分法仿真结果，它们能在不同偏振入射的状态下，实现不同偏振、不同阶数涡旋光的产生。相比于传统器件，这些偏振复用的超构表面具有衍射极限的分辨能力、微纳米级尺度的光场调控能力，能够极大地缩小光学系统的体积、实现多功能应用的高效紧凑集成。 

图 3偏振复用超构表面的有限时域差分法仿真结果。（a）(b) 线偏振复用超构表面的示意图（c）圆偏振复用超构表面的示意图

除了偏振之外，波长也是光的一种基本自由度。2017年，该课题组及合作者结合共振相位和几何相位，提出了相位拆分原理，通过使用金属超构表面构建相位库，实现了近红外（1200~1650 nm）的宽带连续消色差反射聚焦镜；2018年，在此原理的基础上率先展示了可见光波段超构透镜彩色成像工作。近几年，课题组还基于此方法设计了多个色散型功能器件，包括彩色路由器和三功能超透镜的结构光发生器，此外还实现了双波段超色差的独立调控。图4中展示了这些相关工作。

图 4：波长复用超构表面的相关研究工作。（a）近红外波段消色差超透镜示意图；（b）可见光波段超透镜的彩色成像图；（c）基于三功能超透镜的结构光发生器的示意图；（e）双波段超色散超透镜的超单元结构和示意图

除了三种基础相位，多功能超构表面还有几种新型的相位模式和原理，包括绕行相位、拓扑相位以及基于连续域中的准束缚态的非局域超构表面。其中，绕行相位通过改变纳米柱的间距，可与转角相结合调控衍射波前；基于参数空间的异常拓扑相位也可与几何相位结合来实现偏振解耦功能；而非局域超构表面主要依赖结构的共振及其间的耦合情况，从而操控光是否辐射到自由空间，并加以波前整形。

3、未来展望

这项研究工作展示了不同相位机制下、超构表面对光场的多维度调控能力。一方面，希望更多新型相位调控机制的提出，为超构表面的设计提供更多的自由度，可与课题组所发展的超构透镜成像技术——光谱光场成像与像素级超构彩色路由器相结合，获取像素级图像的更多维度信息；另一方面，也期待实现基于以上相位模式应用于量子领域、例如量子逻辑门和高维度超构量子光源技术，从而推动微纳光量子器件的发展。

作者简介：

刘梦蛟，2001年7月出生于江苏南通。于2022年6月获得南京大学理学学士学位，现在南京大学物理学院攻读微纳光学硕士学位。主要开展人工带隙调控下的超构材料和光子晶体等微纳功能材料的拓扑性质及奇性物态等领域的研究。

戈钦，1999年12月出生于内蒙古包头。于2022年6月获得南京大学理学学士学位，现为南京大学物理学院直博研究生。主要开展超构表面设计以及基于超构表面的全息显示，光谱成像，计算成像与集成成像系统设计等方面的研究。

王漱明，南京大学物理学院教授。研究方向主要集中在微纳光学领域，包括超构表面、超构材料和等离激元学等体系的线性、非线性以及量子光学性质等方面。先后在Science，Nature系列子刊，Adv. Mat., Phys. Rev. Lett., Light. Sci. Appl., Nano. Lett. 等学术期刊上发表论文70余篇，被引超过2000次。获得国家自然科学基金委优秀青年科学基金项目资助。相关研究成果于2018年和2020年两次获得中国光学十大进展。

科学编辑：刘梦蛟; 李添悦; 戈钦; 王漱明; 王振林; 祝世宁;  

编辑：张浩佳