任意设计使得少层超表面在集成多功能微纳光学a 器件的研发中具有广阔的应用前景。可以预见, 少层超表面的相关研究将成为人工光学微结构的 未来发展方向之一 光栅结构 电介质隔层 5研究前沿与展望 随着人工光学微结构研究领域的快速发展 相关硏究已经逐渐从理论型硏究和基础型硏究向 应用型硏究发展。我们总结了人工光学微结构现 阶段的六个研究趋势,如图11所示 图10基于少层超表面设计实现3种不同光学功能的集成 新材料:如上所述,把硅材料引入到超表面 (a)少层超表面结构示意图;(bd)不同入射方向和偏振态下 少层超表面所对应的光学功能的示意图 设计中可以有效地提高超表面对光波的调控效 率。因此基于具有不同光学响应的光学材料进行 人工光学微结构设计从而有效提高微结构的光波 调控能力是目前人工光学微结构发展的主要趋势 新材料 新设计 之一。在该方向上主要有两个研究重点:提高对 光波的调控能力和实现对光波的动态控制。在提 高对光波的调控能力方面,人们主要通过采用新 新应用 人工光学 微结构 新原理 的电介质材料来提高人工光学微结构的工作带宽 和工作效率,优化微结构的光学响应,进而获得 具有特定光学响应的超表面设计。例如,南京大 新自 学王漱明教授及其合作者利用基于氮化镓材料的 由度 新技术 超表面设计实现了工作效率高于40%的宽带消色 差透镜。而在实现对光波的动态控制方面,研 究者则在超表面微结构设计中引入相变材料、钙 图11人工微结构的六个研究趋势 钛矿材料和石墨烯材料的基础上,通过温控,光 控和电控的方式实现对光波的动态调控。例 001 如,我们通过将石墨烯材料与金属微结构相结 合,通过电控的方式在反射模式下实现了对出射 光波偏振态的动态控制。该项设计可以被用于光 MAw… 学偏分复用技术中,如图12所示 新设计:早期的人工光学微结构的基本单元 通常只包含一种结构设计。2016年,以色列理工 学院E. Hasman教授及其研究团队展示了区域 图12通过石墨烯和金属微结构相结合实现光学偏分复用 化、间层设计和多路复用3种人工光学微结构新 设计模式,如图13所示門。这3种设计模式分别包含多个光学响应信息三种设计原理。该工作为 对应:不同区域微结构实现不同光学响应,不同多种光学功能在人工光学微结构中的集成提供了 微结构单元对应不同光学响应和同一微结构单元有效途径,极大地促进了人工光学微结构在集成· 48卷 (2019 年) 4 期 图12 通过石墨烯和金属微结构相结合实现光学偏分复用[30] 图11 人工微结构的六个研究趋势 任意设计使得少层超表面在集成多功能微纳光学 器件的研发中具有广阔的应用前景。可以预见， 少层超表面的相关研究将成为人工光学微结构的 未来发展方向之一。 5 研究前沿与展望 随着人工光学微结构研究领域的快速发展， 相关研究已经逐渐从理论型研究和基础型研究向 应用型研究发展。我们总结了人工光学微结构现 阶段的六个研究趋势，如图11所示。 新材料：如上所述，把硅材料引入到超表面 设计中可以有效地提高超表面对光波的调控效 率。因此基于具有不同光学响应的光学材料进行 人工光学微结构设计从而有效提高微结构的光波 调控能力是目前人工光学微结构发展的主要趋势 之一。在该方向上主要有两个研究重点：提高对 光波的调控能力和实现对光波的动态控制。在提 高对光波的调控能力方面，人们主要通过采用新 的电介质材料来提高人工光学微结构的工作带宽 和工作效率，优化微结构的光学响应，进而获得 具有特定光学响应的超表面设计。例如，南京大 学王漱明教授及其合作者利用基于氮化镓材料的 超表面设计实现了工作效率高于40%的宽带消色 差透镜[29] 。而在实现对光波的动态控制方面，研 究者则在超表面微结构设计中引入相变材料、钙 钛矿材料和石墨烯材料的基础上，通过温控，光 控和电控的方式实现对光波的动态调控[20] 。例 如，我们通过将石墨烯材料与金属微结构相结 合，通过电控的方式在反射模式下实现了对出射 光波偏振态的动态控制。该项设计可以被用于光 学偏分复用技术中，如图12所示[30] 。 新设计：早期的人工光学微结构的基本单元 通常只包含一种结构设计。2016年，以色列理工 学院 E. Hasman 教授及其研究团队展示了区域 化、间层设计和多路复用3种人工光学微结构新 设计模式，如图13所示[31] 。这3种设计模式分别 对应：不同区域微结构实现不同光学响应，不同 微结构单元对应不同光学响应和同一微结构单元 包含多个光学响应信息三种设计原理。该工作为 多种光学功能在人工光学微结构中的集成提供了 有效途径，极大地促进了人工光学微结构在集成 图 10 基于少层超表面设计实现3种不同光学功能的集成[28] (a)少层超表面结构示意图；(b—d)不同入射方向和偏振态下 少层超表面所对应的光学功能的示意图 · 227 ·