光学前沿—可调超构表面

本文译自Soham Saha, Deesha Shah, Vladimir M. Shalaev和Alexandra Boltasseva所撰写的Tunable Metasurfaces: Controlling Light in Space and Time一文，文章发表在Optics & Photonics News, 2021, 32(7):34­–42上。翻译目的为分享知识，欢迎指正。如有侵权，请告知删除。点击文末原文链接可以阅读英文原文。

可调超构表面：光的时空操控

光学特性的主动控制可以将超构表面应用提升到一个新的水平。

使超构表面的光学性质实时动态可控制，可以扩展其功能和基础光科学的范围。

在过去的二十年里，超构表面—通过空间排列纳米尺度的特征结构或称为“超构原子”(meta-atoms)来操纵光的人工设计表面—已经成为剪裁(tailoring)和控制光的基本特性的一个强有力的概念。传统的光学元件如透镜、移相器、偏振器和滤波器体积庞大，需要多个波长的尺度来改变通过它们的光的流动。相比之下，光学超构表面能够通过一单层深亚波长尺寸的光学纳米天线来操纵相位、振幅和偏振。这种超薄的平面结构具有取代传统大体积光学元件的前景，使超构表面成为未来光学元件小型化以及实现全新功能的设计工具包中的关键一部分，

超构表面通过适当选择纳米尺度组件的形状、大小和方向，几乎能随意剪裁光与物质的相互作用。然而，直到最近，许多已演示的超构表面基本上是静态的，特定的光物质相互作用被“融入”进了超构表面。使超构表面的光学特性可实时动态调控，可以将其功能提升到一个新的水平，并扩展基础光科学的范围。可用于电信的GHz到THz速度的光学晶体管(跨越可见光到中红外波长)，用于智能汽车和激光雷达的光束导向设备，以及用于国防应用的主动隐身等，这些只是需要动态配置光学特性的设备中的几个例子。

对于超构表面，这种动态控制可以通过调整超构表面的介电常数或改变其拓扑(几何)来实现。这样做会开辟许多可能的应用。振幅调制通过控制超构表面的反射率、透射率和吸收来改变光的强度，在光学计算和数据传输中得到应用。通过相位控制的波前操控可以实现激光雷达和自动驾驶汽车的光束导向、用于3D成像和内窥镜的平面可调透镜，以及用于增强和虚拟现实(AR/VR)的全息图。偏振调制在光束形成、偏振测量和光学捕获等应用中具有重要意义。

此专题文章着眼于最近演示的构建这种动态可调控超构表面的方法，以及这种动态控制所实现的新应用和新物理。

基于MEMS的可调透镜

透镜对于很多光学系统来说是至关重要的，从成像和光学表征到生物传感。因此，基于超构表面的紧凑型透镜的设计成为一个关键的研究热点也就不足为奇了。基于超构表面的动态可调控的透镜证明特别适合成像和AR/VR等应用。这些应用非常适合大焦距范围的变焦镜头，但却被体积庞大的元器件、缓慢的切换速度(几赫兹到几十赫兹)或有限的调节范围所阻碍。

一种实时调控超构表面特性的方法是通过机械驱动—重新配置其纳米天线的物理形状和空间排列。这种重新配置可以通过微机电或纳米机电系统(MEMS/ NEMS)来实现，其中涉及能够机械控制的纳米结构，或者通过在电驱动基底上制造的超构表面实现。利用MEMS，超构表面的焦距可以通过重新配置纳米结构的几何形状或纳米结构之间的间距实现动态调整。

基于当前技术的MEMS和NEMS系统具有kHz到MHz量级的切换速度。在Andrei Faraon实验室的一个平面超构透镜设计中，一个固定透镜位于玻璃基底上，一个移动透镜位于氮化硅薄膜上，薄膜通过静电驱动来改变两个超构表面之间的距离，从而改变焦距。由此产生的变焦镜头的工作频率为4 kHz、调节范围大于180屈光度。

其他机械调节方法包括将超构原子放置在柔性和可拉伸的基底上，并通过拉伸或压缩基底来改变它们的周期。例如，由Ritesh Agarwal领导的一个研究小组使用放置在聚二甲基硅氧烷(PDMS)上的金天线实现动态全息，通过拉伸基底来改变像平面的位置，从而允许结构在不同的图像之间切换。Nicholas Kotov团队探究的另一个有趣的例子包括剪纸(Kirigami)复合材料，它将日本传统的剪纸艺术融入到可伸缩的聚合物中，产生可逆变形的复杂形状，并允许光学特性的调节。

基于液晶的显示和动态聚焦

液晶（LCs）由细长的分子组成，可以通过热或外部电场控制其方向。通过将超构表面与LC（采用显示行业成熟的技术）相结合，可以通过施加电偏置或加热来极大地调制器件的反射振幅和偏振，从而改变LC的晶相。

LC–超构表面组合可以实现对纳米光子器件的主动控制。例如，Na Liu的团队演示了在LC封装的超构表面中可以控制单个像素，操纵相邻单元之间的相位关系，并允许动态生成可编程图像。超紧凑型超构表面已经被探索用来取代内窥镜中体积更大的透镜。利用浸没在液晶中的超构表面对聚焦长度进行动态控制，可以实现实时扫描和3D成像，将这项技术推向下一个阶段。

基于相变材料的可调节光学

实现用于光束导向、可重构超构透镜和滤波器的纳米光子器件需要对振幅和相位进行动态控制。

相变材料(PCMs)在热或电冲击作用下，其光学性质会发生显著的变化。热激发可以通过电阻发热的电学方法产生，也可以通过光泵浦产生。材料折射率的巨大变化使得超构表面的共振移动，使得振幅和相位被调制。

实现用于光束导向、可重构超构透镜和滤波器的纳米光子器件需要对振幅和相位进行动态控制。实现大的相位和振幅调制的一种方法是使用加工在二氧化钒(VO₂ )上的超构表面，VO₂ 是一种相变材料，具有约340 K的低相变温度和可逆的绝缘态到金属态的相变。

如GeSbTe (GST)这样的硫族化合物在加热时会经历大的、可逆的折射率变化。这使得它们适合实现可重构波导和透镜以应用于纳米光子学，如Capasso团队最近演示的亚波长偏振聚焦。Giessen团队利用这种在晶态和非晶态之间改变的性能来制造等离子体光束开关超构表面和双焦距超透透镜，其中光束导向和焦距是同时通过加热和光脉冲来改变的。

另一种光学相变材料(OPCM)是Ge₂Sb₂Se₄Te (GSST)在红外波长具有宽带透明特性和比GST更低的损耗。麻省理工学院的Juejun Hu团队利用GSST制造了可重构透镜，用于中红外波长范围内的无像差和无串扰透镜，以及用于近红外光束偏转的电学可配置超构表面。

光束和波前的电学控制

电学控制可能是调节材料的光学特性最广泛使用的技术。在半导体技术中，电学偏置已经得到了全面的探索，场效应调制在很低的电压下是可能的，这为节能器件提供了前景。在场效应调制中，主动材料受到电压偏置，这会导致自由载流子的注入或耗尽。载流子密度的增加会局部增加损耗并降低介电常数；载流子密度的减小则会产生相反的效果。

具有很大载流子密度的块状金属，不能对光学特性进行显著的场效应调控。然而，诸如透明导电氧化物(TCOs)等材料的载流子浓度较低，在施加的偏置下导致较大的相对变化，并使其光学特性发生很强的调制。在TCO中，电门控会产生一个厚度为几埃到几纳米的积累层或耗尽层，在此层内复介电常数会发生显著的变化。将 TCO与等离子体纳米结构—它们将局部场集中在一个狭窄的间隙内—相结合，可以规避小的调制区域，从而实现紧凑、高效的器件。

当单个像素或超构原子的相位操纵可以单独控制时，这种效应可以扩展到动态光束导向和聚焦。例如，Junhyun Park和Byoung Lyong Choi领导的研究人员利用门可调节TCO超构表面的波前控制实现了广角光束导向，具有相位和振幅的独立控制。这种多功能超构表面能够开创芯片上集成的光电器件，如自动驾驶汽车的扫描系统、激光雷达系统和内窥镜中的纳米聚焦系统。

TCO中场效应调制的一个有趣方面—电迁移—可以提供另一种改变光学性质的途径。当施加电场时，触点的离子可以通过电介质迁移到导电氧化物中，导致金属的生长和成核。这种成丝改变了介质的有效厚度，在毫伏级的偏置下改变其光学响应。这种传输机制为用于忆阻器的超构表面的发展开辟了新的方向。

石墨烯超构表面的超快偏振测量

二维材料石墨烯构成的超薄单原子薄膜的介电常数变化已用于中红外偏振测量。传统的偏振测量需要通过在不同角度放置偏振器和四分之一波片来读取光的强度，然后提取斯托克斯参数。Gennady Shvets的团队实验演示了一种进行偏振测量的电可调各向异性超构表面。门可调超构表面的斯托克斯参数是在多个门电压值下先验测量的。然后，再通过拟合一个简单的模型，可以确定石墨烯超构表面上入射光的所有归一化斯托克斯参数。在这里，偏振测量的速度是由石墨烯的门控速度决定的，可以达到几十MHz，比传统方法快几个数量级。

全光晶体管

全光学控制也许是动态调节材料光学特性的最快方法。在全光开关中，泵浦光脉冲会改变受控超构表面的光学特性，其进而改变另一个探测光脉冲的响应。这是等效的光学二极管—一个由光子控制光子的二极管。在全光调制中，开关速度不受电路中电阻‒电容延迟的限制，使其潜在的计算速度超过了电子学可能达到的速度。

当一种材料被光脉冲激发时，入射的光子与电子相互作用。如果光子的能量高于材料的带隙，电子就会被激发到导带，使材料更具金属性。如果能量低于带隙，电子增加能量，从而降低吸收。这将改变超构表面的反射率、透射率和吸收率。与电门控（积累区或耗尽区通常只有几埃厚）不同，在全光开关中，折射率变化发生在材料的整个趋肤深度上，范围从几十到几百纳米。

利用介电常数近零的非线性增强，我们的实验室和英国的郝瑞-瓦特大学的研究人员在飞秒时间尺度上演示了TCO薄膜中信号的全光加法。其他研究小组已经在基于直接带隙半导体和介电常数近零的超构表面中演示了全光开关，其开关速度从皮秒到飞秒。

实现新的物理

当超构表面的光学特性以超快的时间尺度调制时，就可以打开通向新的物理和奇异物理现象的大门。

全光开关的大功率需求仍然是其商业可用的一个障碍。但是在实验室里，当超构表面的光学特性以超快的时间尺度调制时—特别是由全光控制所实现的亚皮秒时间尺度—就可以打开通向新的物理和奇异物理现象的大门。

在时空中弯折光线。在经典折射中，空间边界处折射率从n₁到n₂的变化改变了通过边界的光的波矢量，如基本方程n₁λ₁=n₂λ₂所描述的那样。速度和波长发生了变化，但频率是不变的。这个关系用来描述光在空间中的弯折—但是光也能在时间中“弯折”吗？

在这种时间折射中，激发电子的光泵浦脉冲会突然并短暂地改变材料的光学特性，从而形成一个在时间中定义的折射率边界。这种随时间变化的折射率改变导致通过边界的探测光的频率发生变化，同时保持波矢量不变(n₁f₁=n₂f₂)。如果泵浦光滞后于探测光，探测光的频率就会红移，如果泵浦光领先于探测光，探测光的频率就会蓝移。时变超构表面可以用来加速光子，通过光泵浦产生高次谐波信号。同时这种材料的时间折射效应也可以用于设计非互易器件和研究时域中的拓扑效应。

光速隐身。在时变超构表面中获得的频移类似于光从运动物体反射时观察到的经典多普勒频移—但它是通过光学特性随时间变化的静止超构表面实现的。这可以应用在多普勒隐身设计中，通过该方法移动目标表面的动态超构表面可以用来改变或补偿实际的多普勒偏移，从而对观察者或探测器隐藏其速度。

光学隔离。可调光学超构表面提供的超快介电常数调节为光隔离器开辟了新的可能性—光隔离器是避免激光和通信系统中缺陷或边界产生的反向散射的关键部件。超构表面在这方面可能比依赖于体积庞大的磁性元件的传统光学二极管更具优势。

当一个超构表面的折射率或相位分布在时域被调制时，正向传播的光波“看到”不同于反向传播的光波的光学响应；因此，光只能向前传播，而不能向后传播。例如，纳米厚度的时间调制超构表面在波长约860 nm处能够显示非互易光反射，使此类器件成为一种替代损耗较大或体积较大的磁光隔离器的可行选择。

非互易器件在一个有源超构表面非互易器件中，由动态相位调制产生的参量过程将入射到超构表面上的频率为ω的光转换为频率为ω-∆ω的反射光束，而频率为ω-∆ω的反向传播光则转换为频率为ω-2∆ω而不是ω的光。结果是特定波长处的非互易光反射。 

X. Guo et al., Light Sci. Appl. 8, 2047 (2019); CC-BY 4.0

走向超构未来

如这一广泛概述表明，通过任何一种方法的组合的可调超构表面可以允许动态的振幅、相位和偏振调制—这对各种应用都很有吸引力。虽然在实验室中实现动态超构表面已经取得了很大进展，但它们能否包括在实际设备和应用中将取决于各种的实际考虑因素，如功耗、芯片面积、制造兼容性、鲁棒性和价格。

材料科学是这些实际应用问题的最终根源。例如，介电常数能够产生巨大和可逆的变化、具有超快的弛豫时间和适当的能量消耗且与CMOS兼容的化合物将大大加快可调超构表面的大规模应用。为可调超构表面形成一个合适的材料基础，需要对新的和现有的可调材料在不同的激励下(如电压、光和热)的介电常数调制极限进行全面的研究。

通过设计能够在低功率下提供大开关比的完美吸收体、高品质因子的超构表面和谐振器，可以降低涉及非线性光学元件的全光调制器的大功率需求。还可以通过在较长的波长下工作来降低功耗，其中自由载流子浓度的微小变化导致大的折射率变化。甚至一些新的主动控制方法，如化学改性、电迁移和磁光开关，也越来越展现出对材料光学特性进行更多调控的途径。而将全局优化和机器学习技术融入到超构表面设计中有望大大加快其发展进程。

所有这些都需要结合材料科学、理论和工程学的多学科研究方法，以扩大可调超构表面材料平台的范围。随着设计技术的不断进步和可调光学材料数据库的不断扩大，超构表面的未来看起来确实是光明的。

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