什么是光学超表面？超表面可以分为哪几种？

 

 

超表面是指一种厚度小于波长的人工层状材料。超表面可实现对电磁波偏振、振幅、相位、极化方式、传播模式等特性的灵活有效调控。超表面可视为超材料的二维对应。

根据面内的结构形式，超表面可以分为两种：一种具有横向亚波长的微细结构，一种为均匀膜层。

根据调控的波的种类，超表面可分为光学超表面、声学超表面、机械超表面等。光学超表面是最常见的一种类型，它可以通过亚波长的微结构来调控电磁波的偏振、相位、振幅、频率等特性，是一种结合了光学与纳米科技的新兴技术。

1.超表面对偏振的调控

在偏振方面，超表面可实现偏振转换、旋光、矢量光束产生等功能。

2.超表面对振幅的调控

超表面可以实现光的非对称透过、消反射、增透射、磁镜、类EIT效应等。

3.超表面对频率的调控

超表面的微结构在共振情况下可实现较强的局域场增强，利用这些局域场增强效应，可以实现非线性信号或荧光信号的增强。在可见光波段，不同频率的光对应不同的颜色，超表面的频率选择特性可以用于实现结构色。我们在自然界中看到的颜色从产生原理上可以分为两大类，一类是由材料的反射、吸收、散射等特性决定的颜色，比如常见的颜料、塑料袋的颜色等；另一类是由物质的结构，而不是其所用材料来决定的颜色，即所谓的结构色，比如蝴蝶的颜色、某些鱼类的颜色等。人们利用超表面，可以通过改变其结构单元的尺寸、形状等几何参数来实现对超表面的颜色的自由调控，可用于高像素成像、可视化生物传感等领域。

4.超表面对相位的调控

相位是电磁波的一个核心属性，等相位面决定了电磁波的传播方向，一副图像的相位则包含了其立体信息。通过控制电磁波的相位，可以实现光束偏转、超透镜、超全息、涡旋光产生、编码、隐身、幻像等功能。

5.超表面对电磁波多个自由度的联合调控

超表面可以实现对电磁波相位、振幅、偏振等自由度的同时调控。比如，通过对电磁波的相位和振幅的联合调控，可以实现立体超全息，通过对电磁波的相位和偏振的联合调控，可以实现矢量涡旋光；通过对电磁波的相位和频率的联合调控，可以实现非线性超透镜等功能。

6.超表面对波导模式的调控

可将“超构光学”的概念与各类光波导平台相结合，将超构表面或超构材料集成在各类光波导结构上，则可以在亚波长尺度下对波导中的光信号进行灵活自由的调控。利用上表面集成了超构表面的介质光波导结构，可以实现多功能的光耦合、光探测、偏振/波长解复用、结构光激发、波导模式转化、片上光信号变换、光学神经网络、光路由等应用。

 

审核编辑：刘清