《光学顶刊中的超透镜》系列—— 第四期：光场控制、偏振、光计算方向

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引言

超透镜作为一种新型光学元件，正以前所未有的方式重构我们对光的操控能力，并成为下一代光学系统的核心引擎。本系列将分五期，精选2024年顶级光学期刊中的突破性研究，深入解读超透镜在AR/VR、光学成像、片上光计算等前沿领域掀起的‘光学魔法’。

方向7、光场控制、偏振

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支持超表面的单次和完整 Mueller 矩阵成像

摘要：当光从物体上散射时，其偏振通常会发生变化，这种变换由物体的 Mueller 矩阵描述。Mueller 矩阵成像是科学和技术中的一项重要技术，用于对感兴趣物体的空间变化偏振响应进行成像，以揭示传统成像无法看到的丰富信息。在这里，我们概念化、实施和演示了一个紧凑的 Mueller 矩阵成像系统——由一个用于产生结构偏振照明的超表面和一个用于偏振分析的超表面组成——它可以在一次拍摄中获取图像上物体空间变化的 Mueller 矩阵的所有 16 个分量。我们的实现没有任何移动部件或体偏振光学器件，应该能够实现并增强实时医学成像、材料表征、机器视觉、目标检测和其他重要领域的应用。

链接：https://www.nature.com/articles/s41566-024-01426-x

2

用于单发光谱椭圆偏振仪的超表面阵列

Metasurface array for single-shot spectroscopic ellipsometry     

摘要：椭圆偏振光谱法是一种广泛用于测量薄膜厚度和折射率的有效方法。大多数传统的椭偏仪使用机械旋转偏振器和基于光栅的光谱仪进行光谱偏振检测。在这里，我们展示了一种紧凑的基于超表面阵列的椭圆偏振光谱系统，该系统可以在没有任何机械运动的情况下进行单次光谱偏振检测和准确测定薄膜特性。具有高度各向异性和多样化光谱响应的硅基超表面阵列与迭代优化相结合，以高保真度重建薄膜反射光的完整斯托克斯偏振光谱。随后，可以通过将测量结果高精度地拟合到适当的材料模型来确定薄膜厚度和折射率。我们的方法为实现紧凑而强大的椭圆偏振光谱系统开辟了一条新途径，用于薄膜特性的高通量测量。

链接：https://www.nature.com/articles/s41377-024-01396-3

3

具有全参数多路复用 Jones 矩阵的片上多功能超表面

On-chip multifunctional metasurfaces with full-parametric multiplexed Jones matrix      

摘要：用于导波辐射的片上超表面是传统光栅耦合器的升级版，丰富了导波和自由空间光场之间的互连。然而，片上超表面的等效琼斯矩阵中的可控参数数量有限，这限制了多路复用的通道。在这里，提出了一种基于绕行相位和几何相位的超胞设计，以实现 Jones 矩阵的全参数调制。作为概念验证，已经通过单个片上超表面实验演示了四组独立的振幅-相位通道。此外，通过绕行相、几何相和传播相三种相位机制的联合调制，琼斯矩阵可以与正向和反向传播的导波解耦以进行方向复用。这项工作为导波辐射向高容量多路复用铺平了道路，并可能进一步扩展其在光通信、光学显示和增强/虚拟现实中的应用。

链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-52476-2

4

基于偏振无关超透镜与微LED集成的增强现实系统

Augmented reality system based on the integration of polarization-independent metalens and micro-LEDs   

摘要：增强现实 （AR） 是一种将虚拟信息叠加到用户直接看到的真实场景上的技术，被认为是下一代显示技术之一，并引起了相当大的关注。在这里，我们提出了一种平面光学 AR 系统，该系统将不依赖偏振的超透镜与微型发光二极管 （LED） 协同集成在一起。一个关键组件是精心设计的超透镜，其数值孔径为 0.25，在 532 nm 波长下提供约 76.5% 的模拟聚焦效率。此外，激光测量系统证实，制造的超透镜实现了 70.8% 的聚焦效率。通过利用光特性的可逆性，超透镜将来自绿色 micro-LED 的发散光转换为准直光束，穿过瞳孔和视网膜上的图像。尺寸为 5×5 μm 的单色像素210 μm 的间距可以以 50% 的功率效率进行明显解析。这项工作说明了将超透镜与微型显示器集成在一起的可行性，无需额外的光学元件即可实现高效的 AR 设备，并展示了近眼显示应用开发的巨大潜力。

链接：https://opg.optica.org/oe/fulltext.cfm?uri=oe-32-7-11463&id=547961

5

各向异性纳米结构的光学偏振调控

Optical polarization manipulations with anisotropic nanostructures     

摘要：在过去的几十年里，超表面提供了一种在亚波长尺度上纵光波的有效方法，彻底改变了传统的笨重光学元件。这一进步为紧凑、多功能和可重构的光学设备具有巨大潜力。值得注意的是，用各向异性纳米结构构建的超构表面在纵光波的偏振态方面表现出显着的能力。此外，它们可用于实现对不同偏振通道中光波的幅度和相位的独立控制。由于其在偏振选择性和多路复用光波纵方面具有前所未有的潜力，这种能力在光学成像、通信和检测方面提供了广泛的应用，因此引起了光子学界的极大关注。本文综述了各向异性纳米结构在光偏振纵、探测以及偏振选择性和多路复用光波纵中的设计原理、代表性工作和最新进展。提供了对该研究领域进一步发展的个人见解。

链接：https://photonix.springeropen.com/articles/10.1186/s43074-024-00143-6

6

用于 Airy 光束动态控制的微型元器件

Miniature meta-device for dynamic control of Airy beam   

摘要：艾里光束的动态控制因其在成像、光学纵和激光制造方面的潜在应用而引起了科学家的关注。然而，自由空间艾里光束的传统动态调谐方法通常需要笨重的光学元件，这不可避免地会限制其实际应用。为了解决这个问题，最近的一项工作建议使用一种紧凑的超设备，它由两个在可见范围内工作的级联介电超表面组成。

链接：https://www.oejournal.org/oea/article/doi/10.29026/oea.2024.240166

7

微型可调谐艾里光束光学元器件

Miniature tunable Airy beam optical meta-device     

摘要：具有可控传播轨迹的可调谐艾里光束引发了各个领域的兴趣，例如光学纵和激光制造。现有的研究方法遇到了与紧凑性和集成可行性不足相关的挑战，或者它们需要增强的可调性以实现传播轨迹的实时动态作。在这项工作中，我们提出了一种利用双超表面系统来超越这些限制的新方法，显着增强了 Airy 光束的实用潜力。我们的方法涉及在两个超表面上编码一个立方相位分布和两个离轴菲涅尔透镜相位分布。通过仿真和实验结果验证了所提策略的有效性。所提出的元器件解决了现有的局限性，并为扩大艾里光束在不同领域的适用性奠定了基础，包括光片显微镜、激光制造、光镊等。

链接：https://www.oejournal.org/oea/article/doi/10.29026/oea.2024.230171

方向8、光计算、光电子器件

8

采用相变材料的可重构图像处理超表面

Reconfigurable image processing metasurfaces with phase-change materials     

摘要：光学超表面实现了亚波长封装内的模拟计算和图像处理，并且功耗更低，速度更快。虽然已经展示了各种图像处理超表面，但大多数考虑的器件都是静态的，缺乏可重构性。然而，动态重新配置处理作的能力是超表面在实际计算系统中使用的关键。在这里，我们展示了一种在近红外范围内运行的无源边缘检测超表面，其响应可以通过在 65 °C 的 CMOS 兼容温度下小于 10 °C 的温度变化而发生巨大变化。 这种可重构性是通过利用二氧化钒薄层的绝缘体-金属相变来实现的，这强烈改变了超表面的非局域响应。重要的是，这种可重构性伴随着接近最佳的性能指标（例如数值孔径、效率、各向同性和偏振独立性），并且它与与大规模制造兼容的简单几何结构相结合。我们的工作为新一代超紧凑、可调谐和无源全光计算设备铺平了道路，在增强现实、遥感和生物医学成像方面具有潜在应用。

链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-48783-3

9

与胶囊 LED 阵列集成的单像素可编程超表面的简单框架

Simplistic framework of single-pixel-programmable metasurfaces integrated with a capsuled LED array   

摘要：编码超表面可以实时、自由度高地纵电磁波，其迷人的特性丰富了超表面设计，具有广泛的应用前景。然而，大多数编码超表面是基于外部激励框架设计的，带有有线电气或无线光控装置，因此不可避免地造成了对电磁波传输的干扰，增加了超表面设计的复杂性。在这项工作中，提出了一种与胶囊 LED 阵列集成的单像素可编程超表面的简单框架，以动态控制电磁波。该框架将光敏电阻完全嵌入超原子中，控制 LED 阵列直接照亮光敏电阻以调制相位响应。通过这种方式，复杂的偏置网络被转化为通用的 LED 阵列，这意味着物理控制框架可以转化为软件框架，从而可以通过编码胶囊 LED 阵列来自由纵超表面的功能，避免相邻超原子的实时相互耦合。所有结果都验证了远场散射模式可以用这种单像素可编程超表面进行定制。令人鼓舞的是，这项工作为编码超表面设计提供了一个通用框架，为超表面智能感知和自适应调制奠定了基础。

链接：https://opg.optica.org/prj/fulltext.cfm?uri=prj-12-5-884&id=548884

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一种空间频率修补超表面，可实现超大容量的完美矢量涡旋光束

A spatial-frequency patching metasurface enabling super-capacity perfect vector vortex beams      

摘要：光涡旋具有无限数量的正交轨道角动量通道，在光多路复用和相关应用中显示出巨大的潜力。然而，采用全局相位调制方法的传统涡旋光束通常具有单个拓扑电荷 （TC） 和具有甜甜圈形强度的均匀径向距离，因此没有探索无限的空间强度信息。在这里，为了打破空间容量的限制，我们引入了一个全新的空间频率修补超表面概念，通过在时频域中逐个修补场分布，从而打破光束形态的对称性，并允许对空间强度和 TC 分布进行局部纵。此外，通过叠加两个正交圆极化完美 VB，我们的突破在 3D 参数空间中提供了至少 13 个通道的超大容量，包括形态、偏振方位角和椭圆度角，即超大容量完美矢量涡旋光束 （SC-PVVB）。此外，我们还设计了一个优化的达曼光栅，以促进 SC-PVVB 阵列，从而在 13 个通道/比特上释放多维复杂信息通信的全部潜力。我们的研究结果有望使用 VB 以超安全的方式进行密集数据传输，为集成超表面平台中的超大容量光学信息技术开辟了新途径。