我們接受信息的絕大部分來源于視覺信息，而光，則是承擔了信息傳遞的重要角色，小到原子微粒，大到天體宇宙，無一不和光有著緊密聯系。而光學組件，便是我們與光發生聯系的媒介。因此，發明和制備更加先進的光學組件，意味著我們既能自由的操控光發出信息，也能利用這些組件接受更多的信息。

光有一些基本的屬性，比如頻率，影響我們觀察的顏色；振幅，影響我們觀察的強度；相位分布，影響光的相互作用形式，等等。

最開始我們僅僅利用自然界存在的材料來處理光信息，比如簡單的聚焦、成像、發光等等。直到超材料（名詞解釋>）——一種人工微結構材料的出現，徹底革新了人們對操控光的認識，原來，還可以如此高自由度的對光進行操控。

超材料的出現起源于對折射率的研究，最初由于加工條件，率先在微波頻率實驗驗證，此后二十年，迅速發展到太赫茲、紅外、可見光波段。直到現在，可見光超材料已經是非常龐大的一個研究體系。

超表面（名詞解釋>），作為一種二維形式的超材料，因為其非常兼容當前集成電路工藝、且體積小、適合微型化，因此得到迅速發展，現已成為超材料最大的分支之一。超表面在成像、探測等方面有著巨大的應用前景，而來自美國哈佛大學的 Capasso 研究團隊，便是研究超表面的國際知名團隊。

超表面的發展也歷經幾個重要階段，最開始人們僅僅利用超表面實現一些特定的任務，例如異常散射行為、消色差聚焦等等。但是隨著研究的進行，人們不再滿足于單一功能的超表面，希望單個超表面能夠實現盡可能多的任務，因此，可調超表面應運而生，人們很自然想到，如果添加一些外部因素，諸如電場、磁場、調控光束等條件，來改變超表面的狀態，使得實現不同任務之間的切換。沿著這個思路，也發展出了眾多的動態可調超表面，在同一個器件上面，動態可調的實現了多功能性。

以上是非常自然的一條思路，在此前提就是，人們默認靜態超表面只能實現特定的功能任務，這是因為大家常常忽略一件事情：光作為信息的傳遞者，在與超表面的相互作用過程中，本身就可以作為一個可調的自由度來考慮。

而這，正是接下來要介紹的這篇綜述的出發點：我們追求在一個靜態的超表面上，利用入射光的不同屬性來實現功能可調性。

來自美國哈佛大學Ahmed H. Dorrah和Federico Capasso研究團隊，致力于利用靜態超表面實現可調結構光與平面光子學的關聯。他們圍繞近十年來，利用輸入光自身的不同屬性作為“光旋鈕”，來調整輸出響應的超表面的相關研究工作進行了綜述。

超表面讓我們可以像拼圖一樣去構建光學功能模塊

相關綜述以 “Tunable structured light with flat optics” 為題發表在Science。

在這篇綜述論文里，研究團隊對這些靜態器件進行更深入的研究，重點放在被動光學器件上，這種器件可以根據輸入光的一個或多個自由度來調整其輸出行為。這種性質的設備通常依賴于元原子層面復雜的光與物質的相互作用，這是其他平臺(例如，空間光調制器)無法輕易復制的。這種可調諧性通常通過不同類型的共振(米氏散射、Fano 共振、連續介質中的束縛態)等等來實現，從而擴寬了當前的光學可調范式。

作者主要綜述了五種可調方式：入射角和入射方向、偏振狀態、相位分布、波長、非線性行為。

1、利用入射角和入射方向來實現可調

在傳統光學透鏡中，由于角度依賴導致成像會出現色差，這是由于這些角度帶來的誤差無法被精確的控制，因此成為了不希望出現的現象。而超表面，讓我們能夠實現對角度依賴的精確設計，角度依賴可以成為一個能夠被利用的自由度，引入到可調結構光的領域中。

具體來說，研究者利用多個諧振單元之間的相互耦合對入射光角度的依賴，實現了從不同角度入射，反射相位的分布可以被調控和設計。因此可以在同一個靜態超表面上，通過設計，實現不同角度的入射，得到不同的全息圖案，意味著，可以通過入射角的改變，來改變該靜態超表面的輸出響應。利用這種特性，我們可以將入射角作為一個變量，對入射光進行加密或者是通信，進而在光學顯示器件、虛擬現實等領域可以有很多應用的價值。

除了入射角之外，還可利用傳播方向(向前或向后)來調整靜態超表面的響應。這通常被稱為 Janus 超表面，當光線從相反的方向照射到這類超表面上，表現出不同的全息圖案或不對稱傳輸，這是利用亞波長尺度的各向異性阻抗片制成的超原子來實現的。通過在每個片上引入一個漸變的旋轉，線偏振光將進行非對稱傳輸。

簡單來講，就是構建超表面結構，使得其光學響應依賴其與入射光的相對取向關系。對于同一個靜態超表面，當光從左往右照射，與從右往左照射時，透射光的相位分布有所區別，因此得以實現不同的全息圖案，也為研究非互易傳輸等光學現象提供了一個研究平臺。

2、利用偏振狀態來實現可調

與傳統的偏振片不一樣，超表面得以在亞波長量級的尺寸上，實現點對點的偏振狀態控制，因此可以實現更為復雜的偏振狀態。利用幾何相位，通過精心的設計各介質快的旋轉角度，可以單獨控制每一點的偏振狀態。利用水平、豎直兩個正交方向的偏振入射到超表面上 ，借助于不一樣的響應可以在后面實現不同的全息圖像。

除了上述的入射偏振不同帶來的輸出響應不同之外，利用超表面還可以在遠場實現偏振狀態的傳輸，結合聚焦和全息技術，可以在軸向距離上實現不同偏振態的同時存在，這在傳統透鏡或者偏振元件中是難以實現的，利用一個靜態的超表面結構便可以模擬多個偏振器件串聯起來的效果。得益有超表面超高的偏振設計自由度，以及亞波長尺寸像素級的點偏振控制，我們還可以控制渦旋光的偏振狀態。

3、利用相位分布來實現可調

光子自旋角動量體現在光波的偏振上面，除此之外，光場在空間上的相位分布還可以讓光場攜帶一個軌道角動量。相位空間分布的引入使得多通道全息術有了更高的可調自由。通過排列超原子的分布，研究者實現了對渦旋入射的不同響應類型，有選擇某個特定渦旋輸出、不同渦旋輸出不同相位空間分布等性能。

渦旋光、超表面、全息術的結合可以在加密方面有一定應用價值。在利用渦旋光進行加密傳輸時，只有在正確的結構光照射下，才能在后面得到正確的全息圖案，否則將引入隨機噪聲，使得全息圖案模糊，即起到加密傳輸的效果。

更有意思的一點，靜態超表面甚至可以做出動態全息圖像。通過精確設計超表面結構，使得其對于不同結構的渦旋光產生不一樣的全息圖案，再在入射光路中，將入射光束調制成時間依賴的關系，如此便實現了在不同時刻出現的渦旋光結構不同，帶來全息圖案也隨著時間演變，實現了靜態超表面結構完成動態全息視頻的效果，這在VR等領域有應用價值。

4、利用波長來實現可調

光的波長，也就是光的頻率是光的一個重要屬性。而材料對不同頻率的響應不同，叫做色散現象，比如生活中比較常見的三棱鏡對太陽光的分光現象。而利用強烈的色散行為，我們可以設計超表面來實現其對于不同波長，產生不同的輸出特性，即頻率的空間復用。研究者利用不同的介質立方柱對不同的頻率響應不一樣，可以在同一個靜態超表面上集成多種介質柱子，使得其對于不同頻率的光形成的全息圖案不一致。

考慮到層間不同形狀介質柱之間的耦合，會對最終的結果產生干擾，同時也隨著現有的加工體系越來越完備，有研究者提出了多層超表面結構。即利用不同層對不同波段響應，可以在不同波長的入射下形成不一樣的全息圖案。

除了上述波長實現對全息圖案或者渦旋光結構的控制，超表面的可設計色散行為還可以在激光脈沖的壓縮和展寬方面有著特有的優點。利用超表面對不同頻率的光有不一樣的響應，通過在頻域內對各頻率進行操控，再回到時空間合成時域信號，可以實現光束的偏折。同樣的，利用超表面對各頻點光束相位和幅值的調控，波長依賴的超表面在脈沖壓縮和展寬也展現了特有的優勢。對于我們發展微型脈沖激光邁出重要一步，由于超表面相對于傳統的光柵、透鏡而言，在可見光的尺寸占據很大優勢。

5、利用非線性行為來實現可調

利用超表面實現光學非線性，最開始是利用超表面對場的局域增強來增強材料本身的非線性行為，隨著研究的發展，目前人們可以通過構建復雜而又精確的超表面結構，來實現更為復雜和豐富的非線性行為。利用 U 形金屬諧振環，對入射的圓偏振光產生非線性響應，產生二次諧波。通過對超表面的設計，實現基頻到基頻的全息圖像和基頻到倍頻的全息圖像有所不同，并且出射的不同自旋的全息圖案也不一樣。

以上五個部分，并不是完全獨立分開的，有時候也可以將其中某幾種特性結合在一起。

隨著當前對超表面研究越來越深入，并且加工手段也越來越豐富，近十年來出現了很多關于超表面的優質研究成果，并且在成像、VR 等領域，超表面已經逐步走向了應用。

本文僅僅綜述了光自身屬性作為光旋鈕，切換靜態超表面的輸出響應，使得被動式超表面也能夠實現主動式超表面那樣豐富的功能。但是也不能完全代替主動超表面，因此作者展望未來，靜態超表面和動態超表面的結合或許會把超表面和光的相互作用推向一個更高的高度。同時在超表面的設計方面，在未來，引入人工智能輔助設計也正在成為越來越多科研工作者正在進行的工作。

論文信息

Dorrahet al.,Science376, 367 (2022)

https://doi.org/10.1126/science.abi6860

審核編輯 ：李倩