對超構(gòu)光學(xué)（meta-optics）的探索標(biāo)志著光學(xué)技術(shù)演變中的一個(gè)關(guān)鍵篇章，并展現(xiàn)了在微觀層面對光操控方式的范式轉(zhuǎn)變。這段從概念架構(gòu)到實(shí)際應(yīng)用的非凡旅程，集中體現(xiàn)了物理學(xué)、材料科學(xué)和工程學(xué)的深度融合，預(yù)示著緊湊、高效光學(xué)系統(tǒng)的新時(shí)代即將到來。
這場技術(shù)革命的核心是超構(gòu)材料（metamaterial）——一種人工構(gòu)建、具有天然物質(zhì)無法實(shí)現(xiàn)的獨(dú)特性能的材料。這些材料為超構(gòu)表面（metasurface）的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，超構(gòu)表面是二維（2D）超構(gòu)材料的對應(yīng)物，可在亞波長尺度上操控光，可對電磁波提供前所未有的操控。這種操控是通過設(shè)計(jì)超構(gòu)透鏡（metalens）來實(shí)現(xiàn)的，超構(gòu)透鏡是一種基于超構(gòu)表面的平面光學(xué)元件，可以高精度地引導(dǎo)和聚焦光線。
超構(gòu)表面
超構(gòu)表面可以是有源或無源的。無源超構(gòu)表面提供固定的功能——在光學(xué)系統(tǒng)中充當(dāng)靜態(tài)元件。相比之下，有源超構(gòu)表面則邁出了關(guān)鍵的一步，具備可調(diào)諧、可重構(gòu)和時(shí)變功能。這一關(guān)鍵創(chuàng)新可將多種功能嵌入到單層結(jié)構(gòu)中，以精確操控光的偏振和軌跡。因此，體積龐大的光學(xué)系統(tǒng)現(xiàn)在可以被重新設(shè)計(jì)成極小的外形，這為此前傳統(tǒng)光學(xué)硬件難以實(shí)現(xiàn)的新特性和應(yīng)用打開了大門。
盡管超構(gòu)材料和超構(gòu)表面具有廣闊的應(yīng)用前景，但該技術(shù)目前主要在窄帶而非寬帶光譜范圍內(nèi)發(fā)揮作用。雖然在實(shí)現(xiàn)寬帶能力方面取得了長足進(jìn)步，但在效率、性能和大規(guī)模量產(chǎn)方面仍然存在挑戰(zhàn)。盡管如此，窄帶應(yīng)用仍然十分活躍，并推動(dòng)了自動(dòng)駕駛汽車激光雷達(dá)（LiDAR）、三維（3D）傳感和通用生物識(shí)別等領(lǐng)域的創(chuàng)新。
超構(gòu)材料在電信、成像和傳感技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，推動(dòng)了全球超構(gòu)材料市場的迅猛發(fā)展。這一增長得益于超構(gòu)材料應(yīng)用向汽車、航空航天與國防、消費(fèi)電子和醫(yī)療保健等行業(yè)的擴(kuò)展，主要行業(yè)參與者正積極探索這些可能性。
光學(xué)革命正在進(jìn)行中
材料工程供應(yīng)商Applied Materials公司正在重新定義光學(xué)元件。通過在300 mm的透明基底上制備蝕刻波導(dǎo)和平面近紅外（NIR）透鏡，該公司展示了超構(gòu)材料在光學(xué)工程中的應(yīng)用。這些元件具有輕薄、多功能以及與半導(dǎo)體納米制造工藝兼容等特點(diǎn)，凸顯了該領(lǐng)域的重大進(jìn)展。能夠在納米尺度上操控光學(xué)元件，并在整個(gè)晶圓上實(shí)現(xiàn)高度均勻性，代表了光學(xué)制造領(lǐng)域的巨大飛躍。
三星先進(jìn)技術(shù)研究院（SAIT）在利用超構(gòu)表面開發(fā)尖端應(yīng)用方面處于領(lǐng)先地位，如LiDAR——這是一項(xiàng)對自動(dòng)駕駛、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）和虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）以及手勢感應(yīng)至關(guān)重要的技術(shù)。LiDAR系統(tǒng)通過激光照射目標(biāo)并分析反射光來測量距離，正在不斷演進(jìn)。向小型固態(tài)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變體現(xiàn)了該行業(yè)朝著更魯棒、更防震的解決方案發(fā)展的趨勢。三星開發(fā)了一種新型固態(tài)LiDAR系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用了基于氧化銦錫（ITO）的有源超構(gòu)表面，在更遠(yuǎn)的距離提供了增強(qiáng)的掃描方法和更高的分辨率。
Metalenz是由哈佛大學(xué)（Harvard University）Federico Capasso教授團(tuán)隊(duì)分拆成立的公司，它體現(xiàn)了從學(xué)術(shù)研究到商業(yè)可行性的成功橋梁。該公司已在半導(dǎo)體代工廠中利用深紫外（DUV）光刻技術(shù)大規(guī)模量產(chǎn)超構(gòu)表面。通過與意法半導(dǎo)體（ST）和聯(lián)華電子（UMC）等公司合作，Metalenz推出了點(diǎn)陣投影儀和屢獲殊榮的偏振成像系統(tǒng)（見圖1）。這些創(chuàng)新不僅增強(qiáng)了智能手機(jī)和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中的3D感知能力，還在生物識(shí)別認(rèn)證和機(jī)器視覺中引入了突破性應(yīng)用，這標(biāo)志著向緊湊型、多功能光學(xué)解決方案的重大飛躍。
圖1 Metalenz的Polar ID生物識(shí)別成像系統(tǒng)（能夠感知光的全偏振狀態(tài)）
總部位于比利時(shí)的PlanOpSim成立于2019年，它使超構(gòu)透鏡和超構(gòu)表面的設(shè)計(jì)和仿真變得更加便捷和高效。通過解決系統(tǒng)級(jí)集成和面積設(shè)計(jì)等關(guān)鍵瓶頸問題，他們提出了逆向設(shè)計(jì)和代理求解器等創(chuàng)新解決方案，顯著減少了優(yōu)化所需的時(shí)間和計(jì)算資源（見圖2）。
圖2 PlanOpSim用于設(shè)計(jì)超構(gòu)光學(xué)的軟件
總部位于奧地利的EV Group專注于半導(dǎo)體和納米技術(shù)領(lǐng)域的制造設(shè)備和工藝解決方案，尤其是在納米壓印光刻（NIL）技術(shù)方面。他們提供了一種經(jīng)濟(jì)高效的方法來創(chuàng)建對超構(gòu)材料和超構(gòu)表面至關(guān)重要的納米尺度圖案。EV Group的全面UV-NIL產(chǎn)品線能夠適應(yīng)不同尺寸的基底，在促進(jìn)這些先進(jìn)材料的大規(guī)模量產(chǎn)方面發(fā)揮了重要作用。該公司通過SmartNIL技術(shù)，使得在晶圓尺度上制造納米級(jí)柱體成為可能，這些柱體是超構(gòu)表面的基本單元。這一技術(shù)為未來大規(guī)模、精確制造光學(xué)元件提供了必要工具。
總部位于加利福尼亞州、以電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）著稱的新思科技（Synopsys）拓展了其在光學(xué)領(lǐng)域的影響力，推出了一款代表超構(gòu)透鏡設(shè)計(jì)范式轉(zhuǎn)變的工具。該工具具有全自動(dòng)逆向設(shè)計(jì)功能，可簡化新型超構(gòu)透鏡設(shè)計(jì)流程，使不同專業(yè)水平的設(shè)計(jì)師都能快速生成和優(yōu)化超構(gòu)透鏡。Synopsys的軟件解決方案不僅加快了設(shè)計(jì)周期，還降低了成本和物理空間要求，有助于將超構(gòu)材料和超構(gòu)表面集成到更多產(chǎn)品和技術(shù)中，為數(shù)百家公司試驗(yàn)超構(gòu)光學(xué)鋪平了道路。
圖3 Synopsys的MetaOptic Designer優(yōu)化的超構(gòu)透鏡布局
超構(gòu)光學(xué)的創(chuàng)新領(lǐng)域揭示了理論物理、工程技術(shù)和前瞻性商業(yè)應(yīng)用的激動(dòng)人心的融合。從學(xué)術(shù)界到工業(yè)界，這一多學(xué)科的努力孕育了挑戰(zhàn)光操控本質(zhì)的技術(shù)，并有望重新定義人們與光學(xué)世界的互動(dòng)。無論是通過為自動(dòng)駕駛汽車開發(fā)緊湊、高效的LiDAR系統(tǒng)，為消費(fèi)電子產(chǎn)品開發(fā)超構(gòu)光學(xué)元件，還是為下一代光學(xué)設(shè)計(jì)研發(fā)開創(chuàng)性的軟件解決方案，這些參與者都處于光學(xué)革命的最前沿。
超構(gòu)光學(xué)的未來
隨著這些技術(shù)的不斷發(fā)展，它們不僅對現(xiàn)有技術(shù)提出了挑戰(zhàn)，還為未來的光學(xué)系統(tǒng)提供了令人振奮的前景。未來，這些光學(xué)系統(tǒng)將不僅變得更加緊湊和高效，還將會(huì)具備超越當(dāng)前想象的功能。隨著該領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展，大規(guī)模量產(chǎn)和寬帶能力障礙將會(huì)被克服，超構(gòu)光學(xué)的潛在應(yīng)用似乎是無限的，有望在未來數(shù)年重新定義光學(xué)技術(shù)的格局。
《光學(xué)和射頻領(lǐng)域的超構(gòu)材料和超構(gòu)表面-2024版》
《光學(xué)和射頻應(yīng)用的超構(gòu)材料-2024版》
