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原文標(biāo)題：“Roadmap for Optical Metasurfaces”

通訊作者：Arseniy I. Kuznetsov，Mark L. Brongersma

1.簡(jiǎn)介

在現(xiàn)代光學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展進(jìn)程中，光學(xué)超表面正處于快速發(fā)展的 “黃金時(shí)代”。這類材料具備對(duì)光線振幅、相位及偏振態(tài)的精準(zhǔn)調(diào)控能力，同時(shí)兼具輕薄緊湊的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)。隨著研究的持續(xù)深化，光學(xué)超表面已逐步與計(jì)算成像、虛擬現(xiàn)實(shí)、汽車電子、生物傳感、拓?fù)涔鈱W(xué)等多個(gè)前沿領(lǐng)域深度融合，成功構(gòu)建出一系列小型化、多功能集成的光學(xué)組件。下文將結(jié)合通訊作者 Arseniy I. Kuznetsov 的研究視角，系統(tǒng)梳理光學(xué)超表面 “黃金時(shí)代” 的發(fā)展脈絡(luò)與核心方向。

超表面的發(fā)展路線（來自原文）

2.超透鏡：超表面的核心應(yīng)用載體與挑戰(zhàn)

作為超表面的重要應(yīng)用形式，超透鏡憑借緊湊的尺寸與高效的光線調(diào)控能力，成為區(qū)別于傳統(tǒng)光學(xué)元件的關(guān)鍵技術(shù)突破口。當(dāng)前，科研人員圍繞超透鏡開發(fā)了多元化應(yīng)用場(chǎng)景，涵蓋光線聚焦、光學(xué)成像、生物傳感、偏振檢測(cè)及非線性效應(yīng)產(chǎn)生等領(lǐng)域。在技術(shù)實(shí)現(xiàn)路徑上，可通過超表面單元的選型與陣列排布調(diào)控入射平面波前，進(jìn)而達(dá)成光線會(huì)聚效果；也可基于幾何相位原理調(diào)整單元旋轉(zhuǎn)角度，實(shí)現(xiàn)對(duì)左旋與右旋圓偏振光的差異化調(diào)控；還能通過改變單元結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)調(diào)節(jié)相位，或采用多單元協(xié)同工作的模式滿足復(fù)雜需求。即便面對(duì)復(fù)雜的超表面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，現(xiàn)有電子束光刻、精密刻蝕、納米壓印等制備技術(shù)也能確保理論方案的實(shí)際落地。

超表面的概念、實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用（來自原文）

回顧超透鏡的研究進(jìn)展，多項(xiàng)突破性成果已相繼涌現(xiàn)：部分研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出數(shù)值孔徑（NA）高達(dá) 0.99 的超透鏡，部分實(shí)現(xiàn)了 100° 寬視場(chǎng)下的超透鏡成像功能，還有團(tuán)隊(duì)開發(fā)出具備消色差特性的超透鏡、可完成邊緣檢測(cè)的超透鏡陣列，以及用于偏振檢測(cè)與成像的專用器件，同時(shí)在增強(qiáng)及操縱非線性與量子效應(yīng)的超表面研發(fā)方面也取得顯著進(jìn)展。然而，超透鏡領(lǐng)域仍面臨諸多挑戰(zhàn)，例如高數(shù)值孔徑超透鏡的聚焦效率偏低、消色差超透鏡的成像質(zhì)量有待提升、各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)間存在相互制約關(guān)系等，現(xiàn)有設(shè)計(jì)方法也需進(jìn)一步優(yōu)化。對(duì)此，文獻(xiàn)作者提出，未來超透鏡設(shè)計(jì)將逐步向人工智能與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)融合的方向發(fā)展，而針對(duì)色散問題，更優(yōu)的解決方案是實(shí)現(xiàn)對(duì)色散效應(yīng)的合理利用。

3.超表面的 “復(fù)用” 能力與調(diào)控挑戰(zhàn)

光學(xué)超表面不僅能實(shí)現(xiàn)對(duì)光單一屬性的調(diào)控，更具備同時(shí)調(diào)控光多個(gè)參量的 “復(fù)用” 能力。典型應(yīng)用案例包括：當(dāng)紅光入射超表面時(shí)，在遠(yuǎn)場(chǎng)可投射出中國(guó)國(guó)旗的圖案；而當(dāng)黃光入射時(shí)，遠(yuǎn)場(chǎng)則呈現(xiàn)一彎明月的成像效果。此外，超表面還可模擬棱鏡的功能，使不同偏振態(tài)的光線沿不同傳播路徑分離。

超表面實(shí)現(xiàn)多參數(shù)調(diào)控（來自原文）

未來超表面發(fā)展面臨的核心挑戰(zhàn)之一，是如何進(jìn)一步提升可調(diào)控自由度的數(shù)量，以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的光調(diào)制功能。文獻(xiàn)作者指出，需重點(diǎn)開展材料單位體積變化對(duì)光學(xué)參數(shù)影響的量化研究，而如何在不同波長(zhǎng)條件下實(shí)現(xiàn)對(duì)同一光學(xué)參數(shù)的穩(wěn)定調(diào)控，仍是當(dāng)前研究的難點(diǎn)問題。盡管存在諸多技術(shù)障礙，但多元波前整形技術(shù)的發(fā)展，仍將為光學(xué)、電子、生物等多個(gè)領(lǐng)域的進(jìn)步提供重要支撐。

4.超表面對(duì)傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)的革新與設(shè)計(jì)難題

傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)通常由多個(gè)分立組件構(gòu)成，例如消色差透鏡組需通過多個(gè)折射組件的組合實(shí)現(xiàn)色差校正，這類系統(tǒng)不僅體積龐大，還需對(duì)各組件進(jìn)行單獨(dú)安裝與精準(zhǔn)對(duì)準(zhǔn)，增加了系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制備的復(fù)雜度。而通過特定設(shè)計(jì)的多層超表面，可有效替代傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)：例如將多個(gè)特殊設(shè)計(jì)的超表面集成，能夠?qū)崿F(xiàn)微分計(jì)算、邊緣提取等功能；采用結(jié)構(gòu)連續(xù)化的三維超表面，則可完成光譜與偏振的分類處理。

多層超表面（來自原文）

值得注意的是，超表面的復(fù)雜結(jié)構(gòu)往往需要通過逆向設(shè)計(jì)與優(yōu)化算法獲取，而其緊密的層間間隔與單元間耦合效應(yīng)，要求建立高精度的全波仿真模型。當(dāng)前仿真工具的效率仍難以滿足復(fù)雜超表面設(shè)計(jì)的需求，開發(fā)更高效的仿真技術(shù)，成為未來超表面研究的重要方向之一。

5.超表面在納米尺度光計(jì)算領(lǐng)域的應(yīng)用與局限

由于光信號(hào)具有高速傳播的特性，在納米尺度構(gòu)建基于光信號(hào)的快速、低功耗計(jì)算系統(tǒng)，一直是科研人員的重要研究目標(biāo)，而光學(xué)超表面恰好為這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供了理想平臺(tái)。光信號(hào)處理作為成熟領(lǐng)域，傳統(tǒng)技術(shù)通常依賴透鏡實(shí)現(xiàn)光的傅里葉變換，而超表面的引入可大幅縮小系統(tǒng)體積?；诖耍延醒芯繄F(tuán)隊(duì)利用超表面開展光計(jì)算相關(guān)研究，例如實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入光信號(hào)的微分、積分、卷積等運(yùn)算。

超表面用于計(jì)算與信號(hào)處理（來自原文）

然而，當(dāng)前基于超表面的模擬光學(xué)計(jì)算與信息處理技術(shù)仍存在明顯局限，主要包括制造過程中產(chǎn)生的缺陷影響、系統(tǒng)運(yùn)行中的噪聲積累，以及可實(shí)現(xiàn)的運(yùn)算類型較為有限等問題，這些均需在后續(xù)研究中進(jìn)一步解決。

OAS 光學(xué)軟件的超表面設(shè)計(jì)功能非常便捷，該功能將構(gòu)建更為高效、精準(zhǔn)的超表面設(shè)計(jì)流程，進(jìn)一步推動(dòng)光學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展。OAS 光學(xué)軟件已在超表面設(shè)計(jì)中展現(xiàn)卓越效能，為科研人員和工程師提供技術(shù)保障。