今天介绍的文章，题目为"Roadmap for Optical Metasurfaces"，通讯作者为新加坡材料研究与工程研究所Arseniy I. Kuznetsov和美国斯坦福大学Mark L. Brongersma。文章于2024年2月发表于ACS Photonics.
说起“黄金时代”，我的第一反应是千年之前的唐朝。当时的中国经济繁荣，长安成为世界贸易中心，各国商人往来频繁。文化上，唐诗璀璨夺目，众多诗人留下千古佳作。科技也有诸多进步，如雕版印刷术。唐朝以其开放包容的姿态、昌盛的国力，铸就辉煌篇章。而在光学世界中，超表面也正迎来它的“黄金时代”。它可对光线的振幅、相位、偏振态进行调控，同时拥有轻薄的“身材”。随着研究的逐渐深入，超表面与计算成像、虚拟现实、汽车电子、生物传感、拓扑光学等领域产生交集，构建出一个个小型化、多功能的光学组件。接下来，让我们跟随作者Arseniy I. Kuznetsov的介绍，走进“golden age” of metasurface。
图1 超表面的发展路线（来自原文）
超透镜因紧凑的尺寸和强大的光线调控力获得关注，这也是超表面与传统光学元件的本质区别。目前，研究人员基于超透镜开发了各种应用，用以实现聚焦、成像、传感、偏振检测和产生非线性效应。比如可通过选择和排列超表面单元来调控入射平面波前从而实现光线会聚，也可以基于几何相位调整单元的旋转角实现对左右旋圆偏振光的调控，或者改变单元结构的“高矮胖瘦”来调控相位，或者将几个单元联合起来使用。无论需要多复杂的结构，都能通过现有的电子束光刻、刻蚀、纳米压印等技术将理论变为现实。回顾超表面的发展历程，有研究人员设计了NA达0.99的超透镜，有研究人员实现了100°宽视场超透镜成像，有研究人员开发出了具有消色差功能的超透镜，有研究人员设计了能进行边缘检测的超透镜阵列，有研究人员开发了偏振检测与成像器件，有研究人员开发了能增强或操纵非线性与量子效应的超表面……当然，超透镜也面临着一系列挑战，比如高数值孔径超透镜的聚焦效率不高，消色差超透镜像质平平，设计指标之间相互制约等，现有设计方法也需进一步改进。在作者看来，设计将逐渐走向人工智能与神经网络，处理色散更好的方法是利用色散。
图2 超表面的概念、实现与应用（来自原文）
超表面不仅能调控光的一系列属性，更能同时调控多个参量，实现“复用”。比如一束红光照在超表面上，在远场投射出中国国旗，而黄光照射在超表面上时，你能观察到一弯明月。你也可以将超表面看作一个棱镜，让不同偏振态的光线分道扬镳。未来超表面面临的挑战是如何提高可调控自由度的数量，实现更为复杂的调制。作者认为应当对材料单位体积变化对光学参数的影响进行研究、量化，如何实现不同波长下同一参数的调控具有挑战性。尽管困难重重，但多元波前整形技术将对众多领域的发展起到积极意义。
图3 超表面实现多参数调控（来自原文）
现代光学系统通常由多个组件组成，例如消色差透镜组需要多个折射组件来校正色差。这些组件通常体积庞大，且必须单独安装和对准。如果我们有一个特定设计的多层超表面，就可以替代这些复杂的结构。比如将特殊设计的多个超表面组合起来可实现微分计算、边缘提取等功能，使用结构连续化的三维超表面可以实现光谱与偏振的分类。复杂的结构往往需要通过逆向设计和优化获得，而紧密的间隔和单元间耦合需要建立一个复杂的全波仿真模型。这对设计来说并不友好，未来需要更加高效的仿真工具。
图4 多层超表面
由于光信号拥有高传播速度，人们一直想在纳米尺度上用光来做快速、低功耗的计算，而超表面正是实现这一功能的绝佳平台。光信号处理是一个成熟的领域，一般通过使用透镜对光进行傅里叶变换来实现，而超表面的加入可以减小系统的体积。因此，有研究人员利用超表面对光进行计算，比如对输入的光信号作微分、积分、卷积。不过目前超表面模拟光学计算和信息处理也面临着制造缺陷、噪声积累、运算类型有限等一系列问题。
图5 超表面用于计算与信号处理（来自原文）
限于篇幅（tai guo gao shen），可调超表面、拓扑结构超表面、非线性超表面及超表面的制造工艺就不一一展开介绍了。如果你是这方面的专家，欢迎在评论区向大家做一个简单介绍~
超表面的“黄金时代”来了吗？至少论文的“黄金时代”大概是快过完了~
参考文献
Reference
Kuznetsov A I, Brongersma M L, Yao J, et al. Roadmap for optical metasurfaces[J]. ACS photonics, 2024, 11(3): 816-865.
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