宽带消色差红外光学超构透镜研究进展（特邀）

超构透镜是由亚波长散射单元结构排列而成的具有聚焦功能的平面二维超构表面。超构表面能够在亚波长尺度上操控光场的振幅、相位、色散和偏振态,是近年来迅速发展起来的新型光场调控载体。亚波长共振纳米结构使得高阶衍射被抑制,入射光场可以完美地被调制到设计的衍射级次上,从而确保了超构表面器件具有高的光子调控效率。同时,超构单元在设计上的灵活性及其特定的电磁响应使得超构表面可以实现对光场多个维度的定制化操控。不同于传统光学透镜依赖光传播的相位累积效应,宽带消色差超构透镜通过对光场相位和相位色散的同时独立调控解决了传统通过级联多个透镜修正色差造成的光学系统复杂和体积庞大限制,为发展小型化片上集成光学提供了全新的思路。文中围绕超构透镜的相关研究,首先介绍了超构表面调控光场振幅、相位和偏振态的基本原理,在此基础上,重点回顾了近年来关于超透镜的研究发展,包括通过单一参量调控的单波长超透镜的实现,以及通过对光场偏振、相位及相位色散的多参量联合调控的多功能宽带消色差超构透镜的发展现状,最后讨论其进一步发展的可能挑战与应用前景。     

基于超构表面的非线性光学与量子光学

近年来,超构表面在经典光场调控领域受到了广泛的关注,获得了优异的成果。同时,超构表面在非线性光学和量子光学方面的应用也引起了人们越来越多的兴趣。文中分别介绍了非线性超构表面和量子超构表面的基本原理和应用,总结了近几年的相关报道,包括谐波产生和增强,谐波产生和对称性的关系,非线性相位调控和全息成像,以及基于超构表面的纠缠光子对产生,测量和调控。最后,对超构表面在这两个领域的进一步应用和前景进行了展望。     

从亚波长光栅到超构光栅:原理、设计及应用

随着纳米光子学的发展,光学结构如光学微腔、波导结构、光子晶体、亚波长光栅、超构表面等能够在微纳尺度实现对光的传输与调控,推动了光学集成化的发展。亚波长光栅由于其结构简单、成本低廉等特点得到了科学家们广泛的研究,应用在各种光学器件,逐渐形成了光栅分析模型的成熟理论体系。结合周期性结构耦合行为及超构表面中超构原子的散射调制特性,从亚波长光栅衍生出的超构光栅能够利用周期性布拉格散射提高调控光束的效率,从而避免了超构表面相位离散化带来的效率降低和能量损失。科学家们研究并设计了超构光栅,更多的物理现象及应用被探究和挖掘。文中对亚波长光栅以及超构光栅的基本理论、设计和应用进行了概述。从基本原理出发,论述了亚波长光栅和超构光栅的特性,综述了二者的理论设计及单元设计方法,并介绍了在生物传感、滤光片光谱调控和吸收薄膜等方面的应用。最后,展望了未来的发展方向。     

新型功能超颖表面波前调制技术的发展与应用(特邀)

超颖表面作为一类智能表面,通常由特殊设计、加工而得到的特征尺寸接近或小于波长的亚波长纳米天线阵列构成。超颖表面能够实现光场的振幅、相位和偏振的人为调控,具有超薄、超小像素、宽带、低损耗、易加工等优势,设计灵活,功能强大。文中针对超颖表面在全息显示、波前调制和偏振转换、主动可调、非线性波前调控等方向进行综述,并展望未来发展趋势。超颖表面作为一种超薄的、微型化的波前调制器件,具有极大的信息容量,且更能适应未来高度集成的微型光电系统的发展要求,在全息显示、光束整形、涡旋光束的产生、数据存储、加密与防伪、超透镜与色散控制、彩色印刷、非对称传输、非线性光学、光的自旋霍尔效应、光通信与集成光电子学等应用领域提供了潜在的可行性和新的视角,有望取代传统光电器件,展现出了广阔的发展前景。     

基于超构表面的三维成像技术

三维成像技术具有强大的精细化空间数据描述能力，在消费电子、自动驾驶、机器视觉和虚拟现实等领域已成为最关键的传感技术之一。现有的三维成像技术受到传统折射元件和衍射元件的物理机制限制，难以满足设备小型化、集成化、多功能、大视场、大数值孔径、高分辨等性能要求。超构表面作为由亚波长纳米天线阵列构成的智能表面，能够实现对光场的振幅、相位、偏振等参量的人为调控，具有体积小、高空间带宽积、高效率、多功能、大视场等优势，有望成为新一代光学元件服务于三维成像技术。本文综述了基于超构表面的三维成像技术进展，在超构表面的物理机制和应用优势的分析基础上，详细介绍了超构表面在三维成像技术例如结构光技术、飞行时间法、光场成像和点扩散函数工程中的应用和表现，总结和展望了基于超构表面的三维成像技术面临的挑战和未来发展方向。     

基于电介质超表面的双频带双偏振通道波前调控

随着微纳加工技术的发展,超表面在亚波长尺度对电磁波的多维度调控展现出传统光学器件难以比拟的优势。基于电介质硅纳米柱结构构建了具有双频带响应的超表面,利用微结构对不同偏振入射光反射系数的差异,通过构建梯度几何相位实现了双波长下的异常反射;同时设计了超表面灰度成像阵列,在近红外波段实现了对正交偏振态和双波长入射具有不同响应的正负灰度图像。文中提出的超表面设计为基于超表面的多功能集成技术的发展奠定了基础。     

基于Ω型共形超颖表面的曲面全息

共形超颖表面可以打破物体几何形状与光学功能之间的限制,使散射波前得到任意的调制。文中展示了一种自适应的共形超颖表面,该超颖表面由非手性镜面对称的型金纳米天线组成,可以集成在任意形状的基底上,在可见光范围内（=450 nm）实现曲面全息。共形超颖表面的相位调制方法依赖于贝里相位,通过旋转纳米天线的方位角,可以在每个亚波长单元中进行连续的相位控制。这种共形超颖表面包裹在曲面拓扑物体上可以用于各种实际应用中,如曲面透镜聚焦、隐身和安全打印技术。     

基于电介质超表面的光场复振幅调制及应用

超表面作为一种人工设计的二维阵列纳米结构,能够在亚波长尺度上实现光场波前振幅、相位和偏振态的灵活调控,为现代光学器件的小型化、集成化提供了全新的实现途径。随着光学成像、显示等应用的发展,在可见光波段具有高工作效率的微型光学器件的需求日益凸显。近年来,由高折射率、低损耗电介质材料制备的光学超表面得到了极大地发展,在消色差光学超透镜、偏振相关全息显示等方面展现出广泛的应用前景。文中围绕电介质超表面的相关研究,首先介绍广义斯涅耳定律及电介质超表面结构调控光场振幅、相位和偏振态的基本原理,在此基础上,重点回顾近年来关于光场波前单一参量调控和多参量联合调控在全息显示、结构光场产生等方面的研究进展,最后讨论电介质超表面发展的可能挑战与前景。     

基于超表面的宽波带光束聚焦研究

超颖表面是一种基于亚波长结构的光学平板膜层,可在亚波长传输范围内调控入射光束的相位、振幅和偏振。为了代替传统的曲面光学元件,采用传输相位调控理论和广义折反射定律,设计了一种新型的超颖表面,并进行了程序模拟,取得了此亚波长结构对光束聚焦调控的数据。结果表明,当增加超颖表面的椭圆基元的长短轴长度时,材料的等效折射率增加,并且适用的波长范围增加到0.7μm~1.2μm;通过优化超表面结构参量,可实现在宽波带范围内的相位调控,进而获得聚焦光场的优化,在一定程度上可以代替传统光学元件实现光学聚焦。该研究结果在超分辨率成像及光刻等方面有一定参考价值,在一些特殊的需要亚波长结构调控光束的情况下可以使光路简单化,并且比传统的光学元件有着厚度方面的优势。     

多维度超表面及其在信息加密防伪上的应用

超表面是一种厚度在亚波长或波长量级的人工层状材料。可通过调控超表面单元结构上的大小、形状、转角、位移量等自由度，实现对电磁波频率、振幅、相位、偏振等特性的灵活有效调控。超表面具有超薄、宽带、低损耗、易加工、灵活设计，功能强大等特点。文中综述了具有单维度、双维度、多维度光场调控功能的超表面及其在外部激励作用下具有主动可调特性超表面的发展历程，并特别介绍了这些超表面用于信息加密防伪领域的实现方式与优势特点。相比于传统的信息加密防伪技术，超表面信息加密防伪术具有亚波长像素，精密控制，安全系数高等特点，展现了全新视角，拥有广阔的发展前景。     

Tunable Metasurfaces Based on Active Materials

Metasurfaces, planer artificial materials composed of subwavelength unit cells, have shown superior abilities to manipulate the wavefronts of electromagnetic waves. In the last few years, metasurfaces have been a burgeoning field of research, with a large variety of functional devices, including planar lenses, beam deflectors, polarization converters, and metaholograms, being demonstrated. Up to date, the majority of metasurfaces cannot be tuned postfabrication. Yet, the dynamic control of optical properties of metasurfaces is highly desirable for a plethora of applications including free space optical communications, holographic displays, and depth sensing. Recently, much effort has been made to exploit active materials, whose optical properties can be controlled under external stimuli, for the dynamic control of metasurfaces. The tunability enabled by active materials can be attributed to various mechanisms, including but not limited to thermo‐optic effects, free‐carrier effects, and phase transitions. This short review summarizes the recent progress on tunable metasurfaces based on various approaches and analyzes their respective advantages and challenges to be confronted with. A number of potential future directions are also discussed at the end.     

电磁超表面透镜的前沿成像应用进展

电磁超表面是电磁超材料的一种二维形式,它由许多亚波长结构单元按某种特定规律排列形成,可以实现对电磁波相位、偏振和振幅的任意调控。与传统光学器件相比,它具有超薄的厚度,其小型化、紧凑化、易于集成等优点在光学系统中具有广泛的应用前景,掀起了国内外的研究热潮。文中首先从超表面的波前调控原理入手,对电磁超表面透镜成像机理进行了阐述,接着介绍了电磁超表面透镜在成像应用中的一些前沿进展,最后进行了总结,并对其未来的发展方向进行了展望。     

Multistate Tuning of Third Harmonic Generation in Fano-Resonant Hybrid Dielectric Metasurfaces

Hybrid dielectric metasurfaces have emerged as a promising approach to enhancing near field confinement and thus high optical nonlinearity by utilizing low loss dielectric rather than relatively high loss metallic resonators. A wider range of applications can be realized if more design dimensions can be provided from material and fabrication perspectives to allow dynamic control of light. Here, tunable third harmonic generation (THG) via hybrid metasurfaces with phase change material Ge₂Sb₂Te₅ (GST) deposited on top of amorphous silicon metasurfaces is demonstrated. Fano resonance is excited to confine the incident light inside the hybrid metasurfaces, and an experimental quality factor (Q-factor ≈ 125) is achieved at the fundamental pump wavelength around 1210 nm. Not only the switching between a turn-on state of Fano resonance in the amorphous state of GST and a turn-off state in its crystalline state are demonstrated, but also gradual multistate tuning of THG emission at its intermediate states. A high THG conversion efficiency of η = 2.9 × 10⁻⁶% is achieved, which is 32 times more than that of a GST-based Fabry–Pèrot cavity under a similar pump laser power. Experimental results show the potential of exploring GST-based hybrid dielectric metasurfaces for tunable nonlinear optical devices.     

利用超表面的涡旋光束产生进展（特邀）

涡旋光束因为携带轨道角动量,在光通信、粒子操纵及量子信息等领域都具有重要的应用前景。目前有很多方法可用于产生涡旋光束,如利用螺旋相位板、模式转换、空间光调制器等。然而,传统的方法需要搭建体积相对较大的光学系统,限制了其在集成光学等领域中的应用。不同于传统方法中通过传输效应来获得相位变化,超表面可以通过纳米结构使入射光产生相位突变,在纳米尺度上独立控制动态或几何相位以产生涡旋。超表面具有强大光控制能力的同时,还具有体积小、易于集成等特点,因此成为了产生涡旋光的理想方法。文中在介绍产生涡旋光束基本原理的基础上,回顾了近年来利用超表面产生涡旋光束的研究进展。首先介绍了利用动力学相位、Pancharatnam-Berry (P-B)相位以及混合相位产生光学涡旋的方法。随后,对利用全息与编码超表面产生涡旋及通过多路复用产生多个涡旋等不同方法进行了综述。最后,对基于超表面产生涡旋的一些亟待解决的问题和应用前景作了简单总结与讨论。     

Colorful Metahologram with Independently Controlled Images in Transmission and Reflection Spaces

Benefiting from the excellent properties of manipulating electromagnetic waves at subwavelength scale, metasurfaces are widely used to realize metaholograms with a large viewing angle or diffraction angle. However, all previously reported holograms just utilize transmission (or reflection) space while the corresponding reflection (or transmission) space is abandoned. In this paper, combining the off‐axis illumination method and polarization dependence of geometric‐phase‐based metasurfaces, a scheme is proposed to realize colorful metaholograms with independently controlled holographic images in both the transmission and reflection spaces. With this method, the usable data capacity and imaging region are greatly expanded. As far as it is known, it is the first time that independently controlled color holographic images in both the transmission and reflection spaces using metasurfaces is demonstrated. This approach has promising applications in real 360° holographic image, multifunctional optical device, multicolor display, etc.     

Recent advances in metasurface hologram technologies (Invited paper)

Since Leith and Upatnieks demonstrated the first optical hologram in 1964, hologram technology has attracted a great deal of interest in a wide range of optical fields owing to its potential use in future optical applications such as holographic imaging and optical data storage. Although there have been considerable efforts to develop holographic technologies using conventional optics, critical issues still hinder future development. Recently, metasurfaces composed of artificially fabricated subwavelength structures have been considered as novel holographic devices that show an unprecedented ability to control electromagnetic waves. In this review, we outline the recent progress in metasurface holography. A general introduction to several types of metasurface holography categorized based on their physics and application is provided. Then, our personal perspective on the future of this field is discussed.     

中红外超表面的成像和检测原理及应用进展（特邀）

中红外波段包含两个大气窗口及分子指纹区，在红外成像与物质检测方面具有重要应用。传统中红外光学器件在成像方面受材料、加工等限制成本昂贵、加工复杂；在检测方面，受分子吸收截面小的限制，检测灵敏度低，对微量化学物质检测具有较大挑战。超表面是由亚波长尺度的人造单元构成的二维结构阵列，具有体积小、易集成、调控自由度高等特点，能够为制造低成本、轻型化、集成化的中红外光学器件提供一种新的实现方案。表面增强红外吸收能够有效增强分子振动信号，提高检测灵敏度。文章介绍了中红外超表面在电磁波调控方面的机理及其中红外检测应用的原理。着重整理了超表面结构在中红外波段的成像与检测领域的研究进展，包括偏振成像、可调及可重构超表面、其他特殊功能以及用于检测的基于等离子体激元或连续体束缚态原理的使用金、银、铝、石墨烯、硅、锗等材料的超表面结构。