超構表面（Metasurface）是一種人工設計的由亞波長共振超原子組成的平面納米結構，由于其重塑光學納米級特性的能力而備受關注。超構表面可以通過不同方式塑造光的波前、偏振和非線性響應，在光操縱方面展現了獨特能力，已成為一個快速發展的研究領域。
超構表面的設計可以利用廣泛的幾何形狀、尺寸、空間方向、組合機制和波前處理技術，使其用途廣泛且適應性強。由于超構表面能夠以超常的方式操縱光的振幅、相位、偏振和頻率，因此可以用于各種光學應用，包括全息、彩色印刷、光束整形和邊緣檢測、偏振生成和檢測、太赫茲波的創建和利用，以及光加密通信防偽技術等。
據麥姆斯咨詢介紹，北京理工大學光電學院黃玲玲教授團隊近期以“Recent Advancement in Optical Metasurface: Fundament to Application”為題在Micromachines上發表了一篇綜述文章。在這篇文章中，研究人員簡要討論了超構表面波前調制的三種基本機制；討論了超構表面在波前調制和全息顯示領域的研究進展，以及新的研究方向，例如超構透鏡、級聯超構系統和渦旋光束產生；最后對超構表面的潛在挑戰和未來研究方向進行了總結。
超構表面任意波前調制原理
在傳統的光學元件和衍射元件中，入射光束的調制是通過收集相位延遲來實現的，這大大限制了光學元件的集成。而在超構表面中，波前調制是通過控制和修改入射光束的振幅和相位分布來實現的。光學超構表面的這些有趣特性，提供了額外的靈活設計。由于與電磁場的一些強相互作用，電或磁共振有助于波前控制，以及納米級波前控制。調制相位分布提供了對光束傳播、發散和信息編碼的最終控制。在這篇綜述文章中，研究人員介紹了特定偏振態下相位操縱的三種基本機制，包括線偏振光的等離子體色散、圓偏振光的PB相位以及偏振不敏感惠更斯原理。
潛在應用：波前整形
自超構表面興起以來，它就展現了卓越的波前整形能力，為很多領域展現了廣泛的應用前景。在對超構表面各種偏振態下調節相位和振幅的理論和方法進行分類后，研究人員介紹了平面超構透鏡、超構表面全息以及級聯超構系統等潛在應用。
利用V形納米天線Capasso等人開發了一種電信波長納米天線超構透鏡，聚焦效率僅為1%。
（A）實驗超構表面生成全息圖，圖中顯示了“PURDUE”一詞。（B）顯示了基于納米棒的全息元件的單元結構。（C）展示了多色超構全息的線偏振圖像。（D）超構表面全息顯示，其中三個主要顏色分量可以使用離軸照明方法解碼，并可以生成它們的二次疊加顏色。
利用級聯超構表面的動態波前控制
矢量渦旋光束的產生
圓柱矢量渦旋（CVV）光束具有螺旋相位波前和空間各向異性偏振特性，由于其更好的穩定性和光束完整性而備受關注。此外，它還提供了新的自由度，可用于各種應用，包括通信系統、光束操縱和光學成像等。超構表面作為PB相位部分工作，在空間發生變化，可以產生渦旋相位和矢量極化。其中一個級聯超構表面用于改變與渦旋關聯的拓撲電荷數，另一個超構表面用于改變局部偏振。不過，寬帶毫米光譜范圍內渦旋光束的形成還沒有研究。
（A）（B）報道探索了使用q-plate方案和可編程SLM產生CVV光束的新方法。q-plate方案由級聯雙超構表面和一個半波片組成，能夠將CVV光束的偏振階數最高調控到8。（C）還有研究提出了一種使用兩個級聯超構表面生成CVV光束的簡單有效方法。
結論與展望
研究人員預計，當合適的應用滿足商業化制造的要求時，超構表面將最終實現產業化。當然，它們并不是要全部取代傳統的衍射和折射光學元件，因為傳統的光學元件對于許多應用來說已經足夠好且經濟。到目前為止，我們已經可以看到光學超構表面領域令人振奮的進展。盡管如此，仍然需要更多的投入，以在各個領域實現應用落地。
在這篇綜述文章中，研究人員最后總結了一些最相關的超構表面研究領域，旨在為其他學者提供戰略方向。
● 探索和開發超構表面成分等具有創新特性的新材料，將成為未來的研究重點。過去十年來，石墨烯、ITO、VO2和TiO2等新型材料的出現已經開啟了許多光學應用。這些材料具有獨特的光電特性，展示了新穎的超構表面功能。此外，能夠克服等離子體材料顯著損耗，同時保留等離子體共振有趣特性的超構表面材料的需求很高。
● 另一個有待研究的方向是具有寬帶響應和可控性的超構表面。超構表面正被用于實現經典光學元件的很多功能。超構表面的窄帶寬和較大的光譜散射是其顯著缺點。透鏡等一些光學元件，需要較寬的帶寬以及較小的光譜像差。此外，超構表面應該能夠靈活地修改其特性，以便用于顯示器和光調制器等設備。設計并實現完全可重構且可編程的超構表面的需求很高。
● 第三個研究方向是在當前系統中應用超構表面，這可能是將超構表面創新市場化的最快方法。這一概念在許多應用領域具有很大潛力，包括臨床監測、光學成像、光通信、光學激光束和熱探測器等。
● 另外，基于先進的機器學習計算技術開發具有良好性能和功能的超構表面，是另一種新穎的設計方案。在光學和光子學領域，人們迫切需要探索這些先進的機器學習方案，其中超構表面將扮演至關重要的角色。
論文鏈接：https://doi.org/10.3390/mi13071025
麥姆斯咨詢將于2022年7月29日~7月31日線上舉辦『第44期“見微知著”培訓課程：微納光學元件及應用』，北京理工大學黃玲玲教授已經應邀作為講師，為大家分享“超構表面光場調控和全息技術”，全面闡述超構表面光場調控、超構表面成像與光信息處理、超構表面全息技術，以及對超構表面技術進行未來展望。
