西安应用光学研究所光学薄膜技术研究室，陕西 西安 710065
超构表面（metasurfaces）是一种新型的人工二维平面阵列结构，通过合理设计亚波长纳米结构单元及排布可以实现对空间光场的调控，有望从原理层面上颠覆传统的透镜元件。然而，目前透射型超构表面普遍存在光学效率低的问题，制约着其应用和发展。首次提出了光学薄膜结合超构表面提高光能利用率的设想，期望超构表面结合光学薄膜的结构在不影响超构表面光学特性的基础上，可以显著地提高其光学效率。为了验证这一策略的有效性，仿真模拟了石英基底近红外宽波段的硅纳米块超构表面透镜，并与设计有光学薄膜的超构表面进行了对比。模拟结果表明：光学薄膜对超构表面的聚焦性能没有影响，但可以显著提高超构表面的光学透过率；在1450~1600 nm波段，平均透过率提高了10.5%以上，聚焦效率平均提高了8.3%以上。所提方法为超构表面器件设计带来了新的思路。
超构表面 光学薄膜 硅纳米块 透过率 光学学报
2024, 44(10): 1026032
李程峰 1,2,3何涛 1,2,3,*施宇智 1,2,3魏泽勇 1,2,3[ ... ]程鑫彬 1,2,3,**
1 同济大学物理科学与工程学院精密光学工程技术研究所，上海 200092
2 同济大学物理科学与工程学院先进微结构材料教育部重点实验室，上海 200092
3 上海市数字光学前沿科学研究基地，上海 200092
光束偏折是光场操控的一项重要能力，也是众多光学应用的基础。随着光学技术的蓬勃发展，越来越多的应用场景迫切需要能够兼顾小型化和高效率的光束偏折光学器件。超构表面是人工原子按特定宏观排列方式构建而成的平面器件，具有强大的电磁场调控能力，能够在亚波长尺度下将光束偏折到任意非镜面方向，有望在实际应用中发挥巨大作用。从超构表面实现高效率异常偏折的物理机制出发，对超构表面异常偏折的应用研究进行回顾和讨论，同时也对潜在的挑战进行总结，对异常偏折超构表面及其应用的未来发展进行展望。
激光与光电子学进展
2024, 61(10): 1000001
1 中国科学院西安光学精密机械研究所瞬态光学与光子技术国家重点实验室，陕西 西安 710119
2 中国科学院大学，北京 100049
3 南京大学固体微结构物理国家重点实验室，南京大学物理学院，江苏 南京 210093
4 南京大学人工微结构科学与技术协同创新中心，江苏 南京 210093
5 浙江大学光电科学与工程学院，浙江 杭州 310027
光学超构表面凭借其小型化集成化的优势和对光场出色的调控能力，近年来已被深入应用于光学微操控技术研究，这标志着该交叉领域进入了新的发展阶段。特别地，由于超构表面的尺寸在亚波长级别，具有被光场驱动从而产生机械运动的潜力，这一特性为新一代光驱动的人工微机器人提供了重要的理论基础和技术支撑。本文依次从光学微操控的基本原理和超表面的相位机制出发，详细回顾了基于超构表面的多种微操控器件，包括超构表面光镊、多功能微操控系统、超构机械等，并结合微纳结构的拓扑光学性质，对拓扑光操控等新奇效应进行了探讨。最后，本文展望了超构表面微操纵技术的未来发展方向和目标。
超构表面 光学微操控 光镊 光子力学
1 苏州大学光电科学与工程学院&苏州纳米科技协同创新中心，江苏 苏州 215006
2 江苏省先进光学制造技术重点实验室&教育部现代光学技术重点实验室，江苏 苏州 215006
3 哈尔滨工业大学物理学院，黑龙江 哈尔滨 150001
4 苏州大学功能纳米与软物质研究院，江苏 苏州 215123
人工构建的平面化超构表面由于其独特的电磁响应以及超薄、易集成的优势，在光子学和新型光电子技术方面发挥着至关重要的作用。基于近场共振模式的发光超构表面在散射辐射光子、定向和增强光子态密度等方面展现出独特优势，拓展了其在前沿光子学领域的应用。本文概述了超构表面调控系综量子光源辐射行为的基本原理，详细介绍了可见光波段内发光超构表面最新的研究应用进展，包括微小型固态照明、虚拟现实和增强现实高清显示、可见光通信、高能X射线探测、手性光源以及低阈值微纳激光器等领域的应用。最后展望了发光超构表面的未来发展方向。
光学器件 微纳光子器件 发光超构表面 定向辐射平面光源 激光与光电子学进展
2024, 61(3): 0323001
浙江大学极端光学技术与仪器全国重点实验室，光电科学与工程学院，先进光子学研究中心，嘉兴研究院智能光子研究中心，浙江大学杭州国际科创中心，浙江 杭州 310027
作为一种二维形式的超构材料，超构表面允许以前所未有的自由度对光的振幅、相位、偏振等维度进行灵活高效的调控，有望突破传统光学的限制，实现低成本、高性能、超轻超薄、功能新颖的新型光学元件，近年来引起了学术界和产业界越来越浓厚的研究兴趣。从物理机理、相位调控到正向设计方法，系统回顾了超构表面的设计原理。介绍了这些机理如何用于实现丰富的应用，包括功能复用、宽带宽、大视场、多层级联、非局域超构表面等，涵盖了最主要和最新的发展方向。最后，讨论了超构表面在走向实用化的道路上所面临的器件设计和加工制造上的挑战，并对领域未来的发展进行展望。
郑州轻工业大学 物理与电子工程学院，郑州 450001
为了实现红外吸收波长的主动调控，提出一种Ge2Sb2Te5(GST)相变材料的可调谐金属/介质/金属(MDM)型近红外光学超构表面吸收器。首先，采用时域有限差分(FDTD)法对器件的吸收性能进行仿真分析；然后，根据电场分布特点分析了吸收器等离子体震荡吸收的物理机制。仿真结果表明：当改变GST的晶化分数时，所提吸收器实现了吸收峰中心位置从1.17 μm偏移到1.8 μm，偏移宽度为630 nm，吸收器在通信波长为1.55μm时可以实现高-低吸收率的转换。
超构表面 吸收器 Ge2Sb2Te5相变材料 metasurface, absorber, Ge2Sb2Te5 phase change mate
1 西北工业大学 宁波研究院, 浙江 宁波 315103
2 西北工业大学 机电学院, 陕西 西安 710072
3 空天微纳系统教育部重点实验室 陕西省微纳机电系统重点实验室,陕西 西安 710072
4 西安现代控制技术研究所, 陕西 西安 710065
5 北京理工大学信息与电子学院, 北京 100081
作为一种新型光电探测技术，偏振成像可同时获取场景的空间分布和偏振特征，针对特定应用场景具有优异的材质区分及轮廓辨识能力，广泛应用于目标探测、生命科学、环境监测、三维成像等领域。偏振分光或滤光器件是偏振成像系统的核心元件，然而该类传统器件受限于体积庞大、性能不佳、易受干扰等问题，难以满足高集成、高性能、高可靠性偏振成像系统的要求。超构表面是一种结构单元以亚波长间隔准周期排列而成的二维平面器件，可在不同偏振方向对光场的振幅、相位进行精细操纵。基于超构表面的偏振器件具有体积小、重量轻、维度高等特点，为集成化偏振成像系统提供了新的解决方案。本文针对偏振成像，综述相关超构表面的功能原理、发展脉络和未来趋势，讨论并展望其在成像应用和系统集成方面所面临的挑战与机遇。
光学器件 微纳结构 超构表面 偏振成像 成像系统 optical device micro-nano structure metasurface polarization imaging imaging system
