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。     

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。     

太赫兹波前调制超表面器件研究进展

超表面是一种由人工微结构组成的超薄平面器件,能够实现对电磁波振幅、相位以及偏振态的调控,具有体积小、重量轻、集成度高、可灵活操控电磁波等优势,在电磁波谱、波前调制中发挥着巨大的作用。综述了近年来基于超表面的太赫兹波前调制器件的研究进展。总结了基于Pancharatnam-Berry相位、基于局域表面等离子体共振(LSPR)、基于Mie共振的三种超表面单元结构对电磁波的振幅、相位调控机理,并讨论了实现高效率超表面的方法。之后,介绍了用于设计波前调制超表面器件的纯相位调制方法和复振幅调制方法。综述了在太赫兹波段典型的超表面波前调制器,包括单一功能、复合功能以及可调谐功能的超表面波前调制器件。在早期的研究工作中,设计的超表面可实现波束偏转、波束聚焦、全息成像、以及涡旋光束、自聚焦光束、洛伦兹光束等特殊光束产生等功能。为提高太赫兹器件的利用率,波分复用、偏振复用等功能复用的太赫兹超表面器件被提出。随着对太赫兹波前动态调控需求的增长, 一些主动的太赫兹超表面器件被提出并在实验上被验证。共有两种主动的超表面器件。其中一种主动超表面是通过将超表面结构与半导体材料或相变材料结合形成的,另一种是通过光泵浦硅片形成的全光器件。全光超表面在不用重新加工的前提下能够被重复使用。通过调整投影在硅片上的超表面图像即可动态操控太赫兹波前。全光超表面具有动态控制波束扫描和波束聚焦的能力,将来可应用于太赫兹通信、太赫兹雷达等领域。最后,对太赫兹波前调制超表面器件的发展趋势与应用前景进行了展望。     

基于超表面的阵列光场纵向维度信息编解码

随着大数据时代的到来，空间光通信已被广泛应用于各种通信系统中，但随之而来的是容量瓶颈的挑战。基于光场频率、时间、偏振、横向空间模式等维度调控的信息编解码方法在解决容量问题方面展现了优异性能，但光场的纵向维度却未被应用于信息编解码。针对此问题，本文提出了一种基于电介质超表面的光场纵向维度信息编解码新方法，基于四原子结构的几何相位和传输相位联合调控，实现了透射场自旋相关的复振幅调控。同时，利用光学冻结波原理产生了轨道角动量模式叠加态的纵向可控变化，并验证了光场模态的纵向调控能够以指数级提升信道中的模态容量。纵向维度作为一个全新的编码自由度，有望进一步提高自由空间光通信性能。     

液晶的多维度光场调控技术研究进展

液晶作为一种介于液态与结晶态之间的功能性软材料，可以同时表现出液体流动性和晶体的各向异性，被广泛应用于图像显示、集成光电子学、光通信等领域。近年来，由于液晶理论研究的深入及其加工技术的发展，液晶在几何相位、动态可调谐等光场调控方面的优势推动了光学器件的平面化、集成化、智能化和小型化。综述了液晶在光场调控方面的最新应用进展，具体讨论了其对光波振幅、相位、偏振等多维度参数的调控特性，进而探讨了液晶在多功能光学器件和光学加密系统中的应用。     

基于液晶空间光调制器的复振幅全息显示进展

计算全息能够在计算机中实现光学全息的波前衍射计算与波前数字编码,并通过相干光照射全息图重建物光波前.但其空间带宽积受现有数字调制器件限制,光学重建受振幅编码或相位编码引入的噪声影响.复振幅全息利用现有的光电调控器件实现全息图复振幅波前编码,避免振幅项或相位项的损失,兼有高运算效率、高空间带宽积和高重建精度等优势.基于双...     

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。     

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。     

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。     

基于超表面波带片的远场偏振全息加密

超表面是一种具有灵活的偏振操纵功能的新型材料。为了获得远场偏振全息图像，通常需要添加透镜等光学元件。笔者利用超表面波带片的灵活偏振操纵及聚焦功能实现了一种新颖的远场偏振全息加密技术。在该技术中，两个自旋复用的超表面波带片被集成到单个介质超表面器件中，其中超表面的振幅（右旋圆偏振转化率）用来编码奇数和偶数环形区域的波带片，而其相位调制则用来编码透射右旋圆偏振光和左旋圆偏振光的两个全息图。此外，二维码（QR码）和振幅型/相位型全息图用于进一步隐藏加密信息，以提高信息的安全性。所提加密技术有望进一步提升数据安全性和隐私保护水平，推动光学信息加密和高密度数据存储等领域的技术发展。     

Polarization and Holography Recording in Real- and k-Space Based on Dielectric Metasurface

The diverse design freedom and mechanisms of metasurfaces motivate the manipulation of polarization in an ultrashort distance with subwavelength resolution and make metasurfaces outperform conventional polarization optical elements. However, in order to enhance the information capability and encryption security of metasurface holograms, polarization manipulation together with multiplexing technologies are still highly desired. Here, a birefringent dielectric metasurface with the capability of encoding a grayscale image in real-space based on Malus's law by utilizing the inhomogeneous polarization distribution and realizing the reconstruction of a vectorial holographic image in k-space with the help of the phase profiles of different polarization components of output light is demonstrated. This novel functionality is realized by exploiting the manipulation of polarization and phase of output light simultaneously offered by the dielectric metasurface. The proposed method may enhance the information capability and security level of applications such as the anticounterfeiting and encryption.     

基于π型结构双折射超表面的设计与应用

为了实现结构简单、透射率高的双折射超表面, 采用广义薄板跃迁条件分析了该超表面结构与其周围入射场、反射场和透射场的关系, 并利用介质空间域的表面极化率、磁化率等描述了相应超表面的等效特性, 设计出一种基于π型金属结构单元的双折射超表面。通过将具有梯度透射相位的7个单元按照顺序排列, 形成具有对垂直入射x, y极化电磁波双折射性能的超表面。结果表明, 在波束折射和偏振分束超表面中, 损失均低于-8dB; λ/4波片中达到全透射; 所设计的双折射超表面对垂直入射的电磁波具有高透射特性, 并且能够分离x极化电磁波和y极化电磁波的波束, 实现双折射。该研究结果对高性能超表面的设计与实现具有一定的指导意义。     

Full‐Color Complex‐Amplitude Vectorial Holograms Based on Multi‐Freedom Metasurfaces

Phase, polarization, amplitude, and frequency represent the basic dimensions of light, playing crucial roles for both fundamental light–material interactions and all major optical applications. Metasurfaces have emerged as a compact platform to manipulate these knobs, but previous metasurfaces have limited flexibility to simultaneous control them. A multi‐freedom metasurface that can simultaneously and independently modulate phase, polarization, and amplitude in an analytical form is introduced, and frequency multiplexing is further realized by a k‐space engineering technique. The multi‐freedom metasurface seamlessly combines geometric Pancharatnam–Berry phase and detour phase, both of which are frequency independent. As a result, it allows complex‐amplitude vectorial hologram at various frequencies based on the same design strategy, without sophisticated nanostructure searching of massive geometric parameters. Based on this principle, full‐color complex‐amplitude vectorial meta‐holograms in the visible are experimentally demonstrated with a metal–insulator–metal architecture, unlocking the long‐sought full potential of advanced light field manipulation through ultrathin metasurfaces.     

动态可调的太赫兹超构表面

近年来,采用人工设计金属阵列的超构表面以实现对太赫兹波的调制受到越来越广泛的关注。设计了2种互补的亚波长金结构阵列超构表面,正、反结构2个超构表面对太赫兹波均有共振响应。利用光泵浦太赫兹时域透射光谱系统,通过控制泵浦光实现对太赫兹波的谱调制。仅需28 mW的外加泵浦光,反结构超构表面在0.91 THz处的振幅调制深度可达到95%。利用该反结构超构表面对太赫兹波的开关作用,进一步设计了太赫兹振幅全息图,希望利用该结构实现太赫兹波前的动态调控。初步的理论模拟验证了这一方法的可行性,可较好地实现对太赫兹波的动态调控。     

Full‐State Synthesis of Electromagnetic Fields using High Efficiency Phase‐Only Metasurfaces

A metasurface is a thin array of subwavelength elements with designable scattering responses, and metasurface holography is a powerful tool for imaging and field control. The existing metasurface holograms are classified into two types: one is based on phase‐only metasurfaces (including the recently presented vectorial metasurface holography), which has high power efficiency but cannot control the phases of generated fields; while the other is based on phase‐amplitude‐modulated metasurfaces, which can control both field amplitudes and phases in the region of interest (ROI) but has very low efficiency. Here, for the first time, it is proposed to synthesize the field amplitudes and phases in ROI simultaneously and independently by using high‐efficiency phase‐only metasurfaces. All points in ROI may have independent values of field amplitudes and phases, and the requirements for X and Y components may be different in achieving spatially varied polarization states. To this end, an efficient design method based on equivalent electromagnetic model and gradient‐based nonlinear optimization is proposed. Full‐wave simulations and experimental results demonstrate that the phase‐only metasurface designed by the method has 10 times higher efficiency than the phase‐amplitude‐modulated metasurface. This work opens a way to realize more complicated and high‐efficiency metasurface holography.     

All‐Dielectric Programmable Huygens' Metasurfaces

Low‐loss nanostructured dielectric metasurfaces have emerged as a breakthrough platform for ultrathin optics and cutting‐edge photonic applications, including beam shaping, focusing, and holography. However, the static nature of their constituent materials has traditionally limited them to fixed functionalities. Tunable all‐dielectric infrared Huygens' metasurfaces consisting of multi‐layer Ge disk meta‐units with strategically incorporated non‐volatile phase change material Ge₃Sb₂Te₆ are introduced. Switching the phase‐change material between its amorphous and crystalline structural state enables nearly full dynamic light phase control with high transmittance in the mid‐IR spectrum. The metasurface is realized experimentally, showing post‐fabrication tuning of the light phase within a range of 81% of the full 2π phase shift. Additionally, the versatility of the tunable Huygen's metasurfaces is demonstrated by optically programming the spatial light phase distribution of the metasurface with single meta‐unit precision and retrieving high‐resolution phase‐encoded images using hyperspectral measurements. The programmable metasurface concept overcomes the static limitations of previous dielectric metasurfaces, paving the way for “universal” metasurfaces and highly efficient, ultracompact active optical elements like tunable lenses, dynamic holograms, and spatial light modulators.     

融合计算全息术与纳米印刷术的多功能超表面研究进展

计算全息术与纳米印刷术是超表面材料的两种典型应用。近年来,融合全息术与纳米印刷术的多功能超表面成为新兴研究热点,有望在多重光学防伪、信息编码与复用、多通道图像显示、VR/AR等领域得到重要应用。文中在介绍超表面纳米印刷术和计算全息术特点的基础上,将实现两者融合的研究进展进行了详细的归类和特点分析,具体包括:正交偏振复用法、平面合成法、空间堆叠法、光谱+相位调控法、复振幅法、转角简并性法等。最后,对多功能超表面的研究前景进行了展望。