光學(xué)超構(gòu)表面異常偏折研究進(jìn)展

何 濤，魏澤勇，王占山，程鑫彬*

（1.同濟(jì)大學(xué) 物理科學(xué)與工程學(xué)院 精密光學(xué)工程技術(shù)研究所，上海 200092；2.同濟(jì)大學(xué) 物理科學(xué)與工程學(xué)院 先進(jìn)微結(jié)構(gòu)材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092；3.上海市數(shù)字光學(xué)前沿科學(xué)研究基地，上海 200092；4.上海市全光譜高性能光學(xué)薄膜器件與應(yīng)用專(zhuān)業(yè)技術(shù)服務(wù)平臺(tái)，上海 200092）

1 引 言

以可控的方式操縱光的傳播是光學(xué)中的一個(gè)基本問(wèn)題。傳統(tǒng)光學(xué)器件由自然原子組成的光學(xué)材料構(gòu)成，主要通過(guò)光程積累對(duì)光波進(jìn)行調(diào)控，其功能受限于自然材料的性質(zhì)。近年來(lái)，人們提出了由亞波長(zhǎng)人工原子按一定宏觀排列方式組成的超構(gòu)材料[1］，通過(guò)設(shè)計(jì)人工原子和人工原子的序，可以實(shí)現(xiàn)材料介電常數(shù)和磁導(dǎo)率的定向設(shè)計(jì)[2］。基于此，超構(gòu)材料可以實(shí)現(xiàn)各種奇特的電磁調(diào)控，例如負(fù)折射和隱身等[3-4］。盡管三維超構(gòu)材料在長(zhǎng)波領(lǐng)域取得了巨大的成功，但由于光頻三維超構(gòu)材料損耗大、難以實(shí)際制備，限制了其實(shí)際應(yīng)用。

超構(gòu)表面是一種由平面型人工原子按特定宏觀排列方式構(gòu)建而成的二維超構(gòu)材料[5-6］，具有損耗低、可制備和易集成等特點(diǎn)，已經(jīng)成為研究光波調(diào)控的新平臺(tái)[7-10］。通過(guò)在亞波長(zhǎng)尺度下調(diào)控光波的振幅、相位和偏振等特性，超構(gòu)表面展示了豐富的光波調(diào)控能力，如光波異常偏折[11-14］、色 散 補(bǔ) 償[15-17］、超 透 鏡 成 像[18-19］和 全 息 成 像[20-21］等。其中，異常偏折是超構(gòu)表面調(diào)控光波最基本的方式之一，也是許多實(shí)際應(yīng)用的基礎(chǔ)和前提[22-28］，如激光雷達(dá)和光譜儀等。自從描述異常偏折的廣義Snell定律[29］被提出，超構(gòu)表面的異常偏折成為光子學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[23，30-33］，引起了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。隨著研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)梯度相位超構(gòu)表面無(wú)法實(shí)現(xiàn)接近100%的高效率異常偏折[34-35］，高效率的異常偏折需要考慮振幅和相位協(xié)同調(diào)控，因此各種振幅相位協(xié)同調(diào)控超構(gòu)表面被報(bào)道[36-38］，近期光頻完美效率異常反射也被演示[39］。

目前，異常偏折超構(gòu)表面研究取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展，本文回顧了光頻超構(gòu)表面異常偏折這一領(lǐng)域的近期發(fā)展，首先介紹梯度相位超構(gòu)表面和振幅相位協(xié)同調(diào)控超構(gòu)表面的發(fā)展，然后介紹基于超構(gòu)表面異常偏折的光子學(xué)應(yīng)用，最后對(duì)超構(gòu)表面異常偏折及其應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié)與展望。

2 梯度相位超構(gòu)表面

2011年，哈佛大學(xué)團(tuán)隊(duì)[29］報(bào)道了超構(gòu)表面的異常偏折，通過(guò)沿著超構(gòu)表面設(shè)計(jì)局域的相位分布，構(gòu)建梯度相位，可以控制光束的偏折方向，且折/反射方向滿足廣義Snell定律。基于梯度相位的認(rèn)識(shí)，人們展開(kāi)了大量研究，金屬超構(gòu)表面和介質(zhì)超構(gòu)表面分別被提出用于實(shí)現(xiàn)光束的異常偏折。

2.1 廣義Snell定律

如圖1所示，在兩種介質(zhì)之間的界面設(shè)計(jì)超構(gòu)表面引入突變相變，且該相位是一個(gè)與界面位置相關(guān)的函數(shù)，那么光在經(jīng)過(guò)超構(gòu)表面相鄰兩個(gè)位置點(diǎn)時(shí)的相移分別為Ф和Ф+dФ。假設(shè)兩點(diǎn)之間有兩條與實(shí)際光路無(wú)限靠近的光路，由費(fèi)馬原理可知兩條光路的光程近似相等，則有：

圖1 廣義斯涅耳定律[29］Fig.1 Schematic of generalized Snell’s law[29］

其中：k0是入射光的波矢，θi和θt是入射角和出射角，ni和nt分別是入射空間和出射空間的折射率。因此，廣義Snell定律可寫(xiě)成：

廣義Snell定律也被稱(chēng)為異常折射/反射定律，θr是異常反射角。由廣義Snell定律可知，入射到超構(gòu)表面的平面波的出射角不僅與入射角、入射介質(zhì)和出射介質(zhì)有關(guān)，還與波長(zhǎng)和相位梯度有關(guān)，通過(guò)設(shè)計(jì)相位梯度，可以調(diào)控光波以任意角度出射，甚至是以表面波的形式出射[40］。

2.2 金屬超構(gòu)表面

為了驗(yàn)證廣義Snell定律并實(shí)現(xiàn)異常偏折光波調(diào)控，哈佛大學(xué)團(tuán)隊(duì)[29］使用金屬V型天線在硅表面構(gòu)建相位梯度，通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察到異常折射和反射現(xiàn)象，盡管異常折射和反射的效率不高，但是這與從費(fèi)馬原理推導(dǎo)出的廣義Snell定律非常一致，如圖2（a）所示。為了在不犧牲超薄平面設(shè)計(jì)的情況下進(jìn)一步提高金屬超構(gòu)表面異常折射的效率，新加坡國(guó)立大學(xué)團(tuán)隊(duì)[41］提出了雙層等離子超構(gòu)表面，如圖2（b）所示，通過(guò)打破輻射對(duì)稱(chēng)性，并且受益于適當(dāng)定制的層內(nèi)和層間耦合，能夠?qū)崿F(xiàn)17%的轉(zhuǎn)換效率和0.73 dB的消光比。

圖2 （a）金屬天線超構(gòu)表面[29］；（b）雙層等離子超構(gòu)表面[41］Fig.2（a）Metal antenna metasurface[29］；（b）Hybrid bilayer plasmonic metasurface[41］

與此同時(shí)，研究人員提出使用金屬-介質(zhì)-金屬的構(gòu)型作為超構(gòu)表面的單元結(jié)構(gòu)，通過(guò)金屬底板保證高反射率，通過(guò)改變上層金屬納米棒的尺寸實(shí)現(xiàn)0～2π的相位完全覆蓋。如圖3（a）所示，復(fù)旦大學(xué)團(tuán)隊(duì)[34］通過(guò)改變?nèi)肷涔馄穹较虻慕鸺{米棒的長(zhǎng)度構(gòu)建梯度相位，設(shè)計(jì)、制造和表征了工作在850 nm的梯度相位超構(gòu)表面，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了該超構(gòu)表面可以將入射光偏折到異常反射方向，且出射光與入射光具有相同的偏振。該超構(gòu)表面工作角度不大，因此異常反射效率高達(dá)80%。但是上述單元結(jié)構(gòu)是針對(duì)工作波長(zhǎng)850 nm進(jìn)行設(shè)計(jì)的，當(dāng)波長(zhǎng)遠(yuǎn)離850 nm時(shí)，單元結(jié)構(gòu)的相位響應(yīng)逐漸偏離設(shè)計(jì)值，且不同單元結(jié)構(gòu)的偏離各不相同，導(dǎo)致梯度相位逐漸被破壞，因而超構(gòu)表面僅能在150 nm的帶寬內(nèi)維持異常反射調(diào)控。美國(guó)西北大學(xué)團(tuán)隊(duì)[42］提出使用寬度漸變的梯形金屬超構(gòu)表面實(shí)現(xiàn)高效率的寬帶光頻異常反射，如圖3（b）所示。這種空間漸變的超構(gòu)表面可以在寬帶上賦予入射光梯度相位，且不會(huì)產(chǎn)生任何交叉偏振效應(yīng)。最終，研究團(tuán)隊(duì)使用上述金屬超構(gòu)表面在可見(jiàn)光和近紅外波段展示了高效率的寬帶（450～850 nm）異常反射，其中異常反射級(jí)次與最強(qiáng)衍射級(jí)次的功率比值高達(dá)103，異常反射效率約85%。韓國(guó)光云大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)[43］使用金屬鋁的單層梯形超構(gòu)表面在整個(gè)可見(jiàn)光波段展示了線偏振光的異常反射調(diào)控。隨后他們[44］又提出將一個(gè)可見(jiàn)光波段的寬帶異常反射超構(gòu)表面與近紅外波段的寬帶異常反射超構(gòu)表面進(jìn)行層疊，如圖3（c）所示，使超構(gòu)表面從可見(jiàn)光一直到近紅外都保持梯度相位，最終能夠在456～1 456 nm實(shí)現(xiàn)平均效率70%以上的異常反射。

圖3 （a）金屬超構(gòu)表面[34］；（b）梯形金屬超構(gòu)表面[42］；（c）雙層梯形金屬超構(gòu)表面[44］Fig.3（a）Metal metasurface[34］；（b）Trapezoid metal metasurface[42］；（c）Bilayer trapezoid metal metasurface[44］

圖4 （a）可見(jiàn)光硅超構(gòu)表面[45］；（b）近紅外硅超構(gòu)表面[46］；（c）可見(jiàn)光晶體硅超構(gòu)表面[47］Fig.4（a）Silicon metasurface for visible light[45］；（b）Silicon metasurface for near-infrared light[46］；（c）Crystalline silicon metasurface for visible light[47］

2.3 介質(zhì)超構(gòu)表面

盡管金屬超構(gòu)表面能夠提供較強(qiáng)的相位調(diào)控能力，從而可以構(gòu)建梯度相位實(shí)現(xiàn)異常偏折，然而金屬在光頻范圍內(nèi)的吸收無(wú)法避免，且吸收還會(huì)被金屬微結(jié)構(gòu)的共振放大，進(jìn)一步增大吸收損耗。因此，研究人員提出使用高折射率介質(zhì)來(lái)降低吸收。斯坦福大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)[45］使用超薄的硅納米柱構(gòu)建梯度相位超構(gòu)表面，能夠?qū)梢?jiàn)光實(shí)現(xiàn)70%左右效率的異常折射。紐約州立大學(xué)團(tuán)隊(duì)[46］同樣使用硅納米柱構(gòu)建梯度超構(gòu)表面，在通信波長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)了36%效率的異常折射。中山大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)[47］使用在可見(jiàn)光吸收更小的晶體硅來(lái)構(gòu)建超構(gòu)表面，超構(gòu)表面由在石英襯底上排列成方形晶格的硅柱漸變陣列組成。該超構(gòu)表面單元能夠?qū)崿F(xiàn)完整的2π相位控制，并在532 nm波長(zhǎng)下實(shí)現(xiàn)偏振無(wú)關(guān)的光束異常折射，透射率可達(dá)71%，相對(duì)衍射效率高達(dá)95%。

異常反射要求超構(gòu)表面能夠保證較高的反射率，因此研究人員通常采用高折射率介質(zhì)-間隔層-金屬的構(gòu)型。范德比爾特大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)[48］在銀的薄膜上設(shè)計(jì)硅超構(gòu)表面的幾何結(jié)構(gòu)，如圖5（a）所示。通過(guò)將單元結(jié)構(gòu)彼此相鄰放置，在一個(gè)超元胞內(nèi)構(gòu)建線性梯度相位，超構(gòu)表面能夠?qū)? 550 nm正入射的光束偏折到11.5°的方向，偏折效率達(dá)到83%。隨著波長(zhǎng)從紅外波段縮短至可見(jiàn)光，硅的吸收也逐漸變大。在可見(jiàn)光范圍，二氧化鈦由于同時(shí)具備較高的折射率和可忽略的吸收而成為最常用的材料。哈爾濱工業(yè)大學(xué)[49］使用二氧化鈦納米柱構(gòu)建超構(gòu)表面，通過(guò)掃描二氧化鈦納米柱的結(jié)構(gòu)參數(shù)，尋找若干個(gè)初始相位不同的半波片，將不同相位的半波片依照梯度相位放置構(gòu)建超構(gòu)表面。該超構(gòu)表面能對(duì)632 nm波長(zhǎng)的入射光實(shí)現(xiàn)偏振轉(zhuǎn)化和異常反射，如圖5（b）所示，異常反射效率約為49%。

圖5 （a）硅超構(gòu)表面[48］；（b）二氧化鈦超構(gòu)表面[49］Fig.5（a）Silicon metasurface[48］；（b）Titanium dioxide metasurface[49］

3 振幅相位協(xié)同調(diào)控超構(gòu)表面

盡管梯度相位超構(gòu)表面取得了巨大的進(jìn)展，但由于廣義Snell定律本身只考慮了局域相位，只能描述光束的偏折方向，人們難以實(shí)現(xiàn)接近100%效率的完美異常偏折，且效率隨著偏折角度的增大急劇下降[34］。局域相位是指在設(shè)計(jì)過(guò)程中忽略不同單元結(jié)構(gòu)之間的耦合，不考慮單元結(jié)構(gòu)周?chē)慕Y(jié)構(gòu)對(duì)其相位的影響。針對(duì)這一挑戰(zhàn)，研究人員通過(guò)嚴(yán)格的推導(dǎo)指出[50］：完美效率的異常偏折依賴(lài)于振幅和相位協(xié)同調(diào)控，需要考慮超構(gòu)表面單元結(jié)構(gòu)之間的非局域效應(yīng)，非局域效應(yīng)是指在超構(gòu)表面的設(shè)計(jì)過(guò)程中需要考慮單元結(jié)構(gòu)周?chē)Y(jié)構(gòu)對(duì)其振幅和相位的影響。

3.1 振幅相位協(xié)同調(diào)控原理

如圖6所示，入射光入射到超構(gòu)表面時(shí)會(huì)被散射到空間1和空間2中，形成反射光和透射光，s代表電磁場(chǎng)的水平分量。以異常反射為例，推導(dǎo)實(shí)現(xiàn)100%效率完美異常反射的物理要求，首先假設(shè)超構(gòu)表面將正入射的光完全偏折到指定方向，從反射光的遠(yuǎn)場(chǎng)反推得到超構(gòu)表面表面處的反射場(chǎng)分布，將反射場(chǎng)分布和入射光在超構(gòu)表面表面處的場(chǎng)分布疊加得到入射空間的總場(chǎng)分布，接著利用邊界條件得到總電場(chǎng)和總磁場(chǎng)與表面阻抗和導(dǎo)納的關(guān)系。對(duì)于一個(gè)超薄表面，既可以用表面阻抗和導(dǎo)納進(jìn)行特性描述，又可以用反射和透射系數(shù)進(jìn)行特性描述。因此，通過(guò)阻抗和導(dǎo)納與反射和透射系數(shù)的關(guān)系，可以得到反射和透射系數(shù)與總場(chǎng)分布的關(guān)系。以TE偏振入射為例，考慮到完美異常反射體系的透射為零，則反射系數(shù)的解析公式為：

圖6 完美異常反射的振幅和相位[50］Fig.6 Reflected amplitude and phase of perfect anomalous reflection[50］

其中:下標(biāo)i代表入射場(chǎng)，下標(biāo)1s代表反射場(chǎng)的水平分量。

反射振幅和反射相位隨位置的關(guān)系如圖6所示。不難發(fā)現(xiàn)，完美異常反射依賴(lài)于振幅和相位協(xié)同調(diào)控，需要考慮單元結(jié)構(gòu)之間的非局域效應(yīng)。具體來(lái)說(shuō)，反射相位隨著異常反射角度的增大而逐漸偏離線性梯度，而反射振幅則在1上下浮動(dòng)且隨著異常反射角度的增大而變劇烈，即完美異常反射要求超構(gòu)表面不同區(qū)域分別實(shí)現(xiàn)增益和損耗。然而，增益會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)雜、不穩(wěn)定，這對(duì)光學(xué)器件的設(shè)計(jì)提出了更高的挑戰(zhàn)。

圖8 （a）微波完美異常反射器[51］；（b）大角度高效率異常反射器[52］Fig.8（a）Perfect anomalous reflector in microwave region[51］；（b）High efficiency anomalous reflector at large angle[52］

3.2 金屬非局域超構(gòu)表面

為了在被動(dòng)超構(gòu)表面系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)完美異常偏折的物理要求，如圖7所示，多倫多大學(xué)[36］和馬薩諸塞大學(xué)團(tuán)隊(duì)[38］分別針對(duì)透射式和反射式異常偏折提出利用輔助場(chǎng)引導(dǎo)功率分布，創(chuàng)建需要的阻抗分布，從而實(shí)現(xiàn)完美異常偏折要求的非局域響應(yīng)。

圖7 輔助場(chǎng)實(shí)現(xiàn)超構(gòu)表面的等效非局域響應(yīng)Fig.7 Auxiliary fields achieve equivalent nonlocal response for metasurfaces

阿爾托大學(xué)團(tuán)隊(duì)[51］使用一系列矩形金屬貼片設(shè)計(jì)反射器的表面阻抗分布，通過(guò)表面波的能量轉(zhuǎn)移實(shí)現(xiàn)了反射器需要的強(qiáng)烈的非局域響應(yīng)，抑制了其他方向的寄生反射，最終在微波實(shí)現(xiàn)了完美異常反射器。鑒于金屬非局域超構(gòu)表面在微波波段取得了巨大的成功[37，51］，阿爾托大學(xué)團(tuán)隊(duì)[52］提出將該理念和結(jié)構(gòu)平移至光頻波段，通過(guò)優(yōu)化金屬非局域超構(gòu)表面的結(jié)構(gòu)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了界面阻抗匹配和寄生反射抑制，最終實(shí)現(xiàn)了82.9%的異常反射效率，反射角度為80°，突破了梯度相位超構(gòu)表面的效率限制。但是，金屬在光頻的吸收難以避免，仍然有16.3%的入射光能量被金屬結(jié)構(gòu)吸收。

3.3 全介質(zhì)非局域超構(gòu)表面

金屬非局域超構(gòu)表面由于受限于吸收損耗，難以真正實(shí)現(xiàn)高效率的光頻異常偏折。斯坦福大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)利用拓?fù)渌惴ǎ瑖@拓?fù)涑瑯?gòu)表面開(kāi)展了系統(tǒng)研究[35，53-57］，獲得了非對(duì)稱(chēng)的自由幾何結(jié)構(gòu)超構(gòu)表面，通過(guò)布洛赫波的耦合提高了大角度下的異常折射效率，最高效率達(dá)86%，如圖9（a）所示。康奈爾大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)[58］使用支持多共振模式的雙各向異性超構(gòu)表面，如圖9（b）所示，通過(guò)控制模式的干涉實(shí)現(xiàn)了99.8%的衍射效率，然而當(dāng)考慮體系所有的反射能量時(shí)，性能迅速下降。

圖9 （a）自由形狀超構(gòu)表面[35］；（b）雙各向異性超構(gòu)表面[58］Fig.9（a）Metasurface with freeform geometries[35］；（b）Bianisotropic metasurface[58］

同濟(jì)大學(xué)團(tuán)隊(duì)[39］則從實(shí)現(xiàn)完美異常反射的物理要求出發(fā)，并給出了實(shí)現(xiàn)完美異常反射的能流分布要求。在一個(gè)既沒(méi)有有源元件又沒(méi)有損耗元件的無(wú)透射系統(tǒng)中，可以使用系統(tǒng)內(nèi)部的橫向能流來(lái)調(diào)控所需的表面能流分布。隨后，同濟(jì)大學(xué)提出一維多層膜結(jié)合二維超構(gòu)表面的準(zhǔn)三維亞波長(zhǎng)新結(jié)構(gòu)，通過(guò)準(zhǔn)三維亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)內(nèi)傳輸波和布洛赫波的高效耦合，可以增強(qiáng)整個(gè)系統(tǒng)橫向能流的調(diào)控能力，如圖10所示。進(jìn)一步地，通過(guò)分析結(jié)構(gòu)內(nèi)的場(chǎng)分布，發(fā)現(xiàn)可以利用多層膜的反射振幅和反射相位對(duì)布洛赫波及傳輸波產(chǎn)生的橫向能流進(jìn)行調(diào)控，從而實(shí)現(xiàn)完美異常反射需要的能流分布。基于以上理念和結(jié)構(gòu)，工作在1 550 nm波長(zhǎng)處的完美異常反射器得以實(shí)現(xiàn)。

圖10 準(zhǔn)三維亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)完美異常反射[39］Fig.10 Quasi-three-dimensional subwavelength structure realizes perfect anomalous reflection[39］

4 異常偏折超構(gòu)表面的應(yīng)用

4.1 光束掃描系統(tǒng)

光束掃描系統(tǒng)是激光雷達(dá)的核心硬件。通過(guò)在異常偏折超構(gòu)表面中引入主動(dòng)可調(diào)諧材料，可以實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧的光束偏轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)光束掃描系統(tǒng)的小型化和微型化。

澳大利亞國(guó)立大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)[59］將液晶引入超構(gòu)表面，通過(guò)加熱超構(gòu)表面將液晶狀態(tài)從向列相切換為各向同性，展示了激光束從0°到12°偏折的切換，效率為50%，如圖11（a）所示。新加坡科技研究局[60］同樣提出了一個(gè)由液晶調(diào)制的可調(diào)介質(zhì)超構(gòu)表面，如圖11（b）所示，超構(gòu)表面可以提供突變的相位，從而實(shí)現(xiàn)像素尺寸的小型化。通過(guò)施加不同的偏壓，展示了動(dòng)態(tài)可調(diào)的光束偏轉(zhuǎn)，最大偏轉(zhuǎn)角度為11°，效率約為35%。

圖11 透射式主動(dòng)超構(gòu)表面光束掃描示意圖[59-60］Fig.11 Schematic of beam steering based on active metasurface in transmission mode[59-60］

加州理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)[61］報(bào)道了一種逆向設(shè)計(jì)方法來(lái)優(yōu)化設(shè)計(jì)主動(dòng)的陣列級(jí)光束掃描超構(gòu)表面（見(jiàn)圖12（a））。通過(guò)電調(diào)諧每個(gè)相同幾何結(jié)構(gòu)的超構(gòu)表面單元，能夠在空間上設(shè)計(jì)有源天線陣列的相位和振幅分布。基于這種方法，連續(xù)的光束偏轉(zhuǎn)被演示，最大偏折角度達(dá)到70°。加州理工學(xué)院提出的這種框架有望進(jìn)一步適用于各種目標(biāo)函數(shù)和主動(dòng)可調(diào)超構(gòu)表面天線陣列平臺(tái)。

圖12 反射式波束控制主動(dòng)超構(gòu)表面示意圖[61-62］Fig.12 Schematic of beam steering based on active metasurface in reflection mode[61-62］

韓國(guó)三星電子研究團(tuán)隊(duì)[62］利用電學(xué)調(diào)控氧化銦錫的方式（見(jiàn)圖12（b）），展示了一種全固態(tài)的反射式超構(gòu)表面陣列，通過(guò)調(diào)控單元結(jié)構(gòu)中的兩個(gè)獨(dú)立參數(shù)（頂柵電壓和底柵電壓），可以獨(dú)立控制單元結(jié)構(gòu)反射系數(shù)的實(shí)部和虛部。基于以上理念，實(shí)現(xiàn)了掃描頻率為5.4 MHz的連續(xù)激光掃描，最大激光偏轉(zhuǎn)角在4°左右，效率在1%左右，并成功地對(duì)由模型車(chē)和人物組成的模擬街景進(jìn)行了三維深度掃描。

4.2 光譜儀

加州理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)[63-64］提出了一種基于超構(gòu)表面的緊湊型光譜儀，如圖13所示。它由一塊1 mm厚、體積為7 mm3的玻璃制成，包含三個(gè)反射式超構(gòu)表面，其中實(shí)現(xiàn)色散的光柵就是一個(gè)異常反射式超構(gòu)表面。該光譜儀主要受益于折疊光學(xué)架構(gòu)以及平面化超構(gòu)表面的性能，能夠在近紅外波段100 nm帶寬內(nèi)提供約1.2 nm的分辨率。

圖13 折疊式超構(gòu)表面光譜儀示意圖[63-64］Fig.13 Schematics of folded metasurface spectrometer[63-64］

4.3 超構(gòu)表面增強(qiáng)的光電探測(cè)器

德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校研究團(tuán)隊(duì)[65］提出將異常反射超構(gòu)表面引入有機(jī)光探測(cè)器，通過(guò)將光偏轉(zhuǎn)到異常反射方向，能夠拓展光的傳播路徑，從而增加光靈敏度和光電探測(cè)器效率，如圖14所示。研究人員基于梯度相位設(shè)計(jì)了異常反射超構(gòu)表面，能夠?qū)崿F(xiàn)76%效率的光波異常反射操縱。將超構(gòu)表面集成到有機(jī)光電探測(cè)器中，顯著增加了560～690 nm入射光的吸收并產(chǎn)生光電流，響應(yīng)度提高了1.5～2倍。

圖14 超構(gòu)表面集成的有機(jī)光電探測(cè)器[65］Fig.14 Metasurface-integrated organic photodetectors[65］

5 總結(jié)與展望

超構(gòu)表面的出現(xiàn)極大地增強(qiáng)了人們調(diào)控光波的能力，并因此成為光子學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。其中，異常偏折是超構(gòu)表面調(diào)控光波最基本的方式之一，也是許多光波調(diào)控現(xiàn)象及應(yīng)用的基礎(chǔ)和前提。經(jīng)過(guò)十年左右的發(fā)展，無(wú)論是基礎(chǔ)理論還是應(yīng)用研究，超構(gòu)表面異常偏折都取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步和發(fā)展。基于廣義Snell定律的梯度相位超構(gòu)表面激發(fā)了學(xué)術(shù)界對(duì)異常偏折的研究熱情，但由于廣義Snell定律只考慮了局域相位，只能描述光束的偏折方向，無(wú)法確定偏折能量。完美效率的異常偏折依賴(lài)于振幅和相位協(xié)同調(diào)控，需要考慮超構(gòu)表面單元結(jié)構(gòu)之間的非局域效應(yīng)。早期，通過(guò)改變單元結(jié)構(gòu)的幾何尺寸，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波不同反射相位的調(diào)控，通過(guò)構(gòu)建幾何尺寸梯度變化的超構(gòu)表面，實(shí)現(xiàn)了80%左右效率的光頻異常反射。近期，多層膜被引入超構(gòu)表面用于增強(qiáng)超構(gòu)系統(tǒng)中的橫向能流，實(shí)現(xiàn)振幅和相位的協(xié)同調(diào)控，通過(guò)聯(lián)合設(shè)計(jì)超構(gòu)表面和多層膜的幾何參數(shù)，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了99%以上效率的光頻異常反射。然而，對(duì)于透射式異常偏折來(lái)說(shuō)，透射式異常偏折同時(shí)存在透射和反射通道，需要抑制的端口成倍增加，難度大大提高，目前光頻異常折射的絕對(duì)效率只有90%左右，還未達(dá)到效率極限。因此，未來(lái)需要進(jìn)一步圍繞高效率異常折射展開(kāi)研究，探究如何兼顧反射抑制和非局域響應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)完美異常折射的物理要求，并利用合適的超構(gòu)表面構(gòu)型來(lái)實(shí)現(xiàn)完美效率異常折射。另一方面，由于實(shí)際應(yīng)用中，超構(gòu)表面器件往往工作于特定波長(zhǎng)范圍或特定角度范圍，甚至是特定錐角范圍，為了滿足實(shí)際應(yīng)用需求，未來(lái)的另一個(gè)研究方向是圍繞寬帶、寬角異常偏折的機(jī)理和實(shí)現(xiàn)方式展開(kāi)深入研究，為基于超構(gòu)表面異常偏折的應(yīng)用發(fā)展提供支持。