什么是光學(xué)超表面？

超表面是指一種厚度小于波長的人工層狀材料。超表面可實現(xiàn)對電磁波偏振、振幅、相位、極化方式、傳播模式等特性的靈活有效調(diào)控。超表面可視為超材料的二維對應(yīng)。

根據(jù)面內(nèi)的結(jié)構(gòu)形式，超表面可以分為兩種：一種具有橫向亞波長的微細(xì)結(jié)構(gòu)，一種為均勻膜層。

根據(jù)調(diào)控的波的種類，超表面可分為光學(xué)超表面、聲學(xué)超表面、機械超表面等。光學(xué)超表面是最常見的一種類型，它可以通過亞波長的微結(jié)構(gòu)來調(diào)控電磁波的偏振、相位、振幅、頻率等特性，是一種結(jié)合了光學(xué)與納米科技的新興技術(shù)。

1.超表面對偏振的調(diào)控

在偏振方面，超表面可實現(xiàn)偏振轉(zhuǎn)換、旋光、矢量光束產(chǎn)生等功能。

2.超表面對振幅的調(diào)控

超表面可以實現(xiàn)光的非對稱透過、消反射、增透射、磁鏡、類EIT效應(yīng)等。

3.超表面對頻率的調(diào)控

超表面的微結(jié)構(gòu)在共振情況下可實現(xiàn)較強的局域場增強，利用這些局域場增強效應(yīng)，可以實現(xiàn)非線性信號或熒光信號的增強。在可見光波段，不同頻率的光對應(yīng)不同的顏色，超表面的頻率選擇特性可以用于實現(xiàn)結(jié)構(gòu)色。我們在自然界中看到的顏色從產(chǎn)生原理上可以分為兩大類，一類是由材料的反射、吸收、散射等特性決定的顏色，比如常見的顏料、塑料袋的顏色等；另一類是由物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，而不是其所用材料來決定的顏色，即所謂的結(jié)構(gòu)色，比如蝴蝶的顏色、某些魚類的顏色等。人們利用超表面，可以通過改變其結(jié)構(gòu)單元的尺寸、形狀等幾何參數(shù)來實現(xiàn)對超表面的顏色的自由調(diào)控，可用于高像素成像、可視化生物傳感等領(lǐng)域。

4.超表面對相位的調(diào)控

相位是電磁波的一個核心屬性，等相位面決定了電磁波的傳播方向，一副圖像的相位則包含了其立體信息。通過控制電磁波的相位，可以實現(xiàn)光束偏轉(zhuǎn)、超透鏡、超全息、渦旋光產(chǎn)生、編碼、隱身、幻像等功能。

5.超表面對電磁波多個自由度的聯(lián)合調(diào)控

超表面可以實現(xiàn)對電磁波相位、振幅、偏振等自由度的同時調(diào)控。比如，通過對電磁波的相位和振幅的聯(lián)合調(diào)控，可以實現(xiàn)立體超全息，通過對電磁波的相位和偏振的聯(lián)合調(diào)控，可以實現(xiàn)矢量渦旋光；通過對電磁波的相位和頻率的聯(lián)合調(diào)控，可以實現(xiàn)非線性超透鏡等功能。

6.超表面對波導(dǎo)模式的調(diào)控

可將“超構(gòu)光學(xué)”的概念與各類光波導(dǎo)平臺相結(jié)合，將超構(gòu)表面或超構(gòu)材料集成在各類光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)上，則可以在亞波長尺度下對波導(dǎo)中的光信號進行靈活自由的調(diào)控。利用上表面集成了超構(gòu)表面的介質(zhì)光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)多功能的光耦合、光探測、偏振/波長解復(fù)用、結(jié)構(gòu)光激發(fā)、波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)化、片上光信號變換、光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、光路由等應(yīng)用。