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哈佛大学Federico Capasso 教授谈超表面以及平板透镜带来光学革命

简介

在接受 ACS Photonics 采访时，研究的先驱 Federico Capasso 教授分享了他进入开创性的超表面领域的心路历程 [1]。从偶然的开始到变革性的应用，超表面有望重新定义光学领域，开创扁平、紧凑和高效光学组件的新时代。

本文梳理Capasso教授的访谈，深入探讨超表面的奇妙世界，探索其基本原理、最新进展及其在各行各业变革中所蕴含的巨大潜力。

图 1. 采访 Federico Capasso 教授 [1]

什么是超表面？

超表面是由亚波长尺度的纳米结构组成的二维人工表面，这些纳米结构排列成错综复杂的图案。这些纳米结构通常由电介质或金属材料制成，能够在亚波长尺度上对光的振幅、相位和偏振进行前所未有的控制。

传统的折射光学依靠块状材料的曲率来操纵光线，而超表面则不同，它是通过单个纳米结构与入射电磁波的集体相互作用来实现这一功能的。这种独特的方法可以设计和制造出超薄、轻质、高度紧凑且性能卓越的光学组件。

图2: Meta Studio 的超透镜设计工具定义的设计流程 [2]

图3: Meta Studio 的用户接口 [2]

超表面的起源

Capasso 教授的超表面之旅始于与大气化学家吉姆-安德森（Jim Anderson）的一次偶然合作，安德森试图利用配备紧凑型光学组件的无人机探测大气中的甲烷。这一挑战激发了在量子级联激光器（QCL）的表面上制造平面金属准直透镜以减少光束发散的想法。

尽管最初的提议遭到了拒绝，Capasso 教授和他的团队还是坚持了下来，并发表了多篇相关论文。这使他们认识到，可以为成像应用设计独立的平面聚焦透镜来开发首款超透镜。

早期的工作主要集中在由金属制成的等离子体超表面上，但这些表面的光学损耗很高。2016 年，Capasso 教授的研究小组展示了首个高效介电超透镜，标志着该领域的关键时刻，取得了突破性进展。

色散工程：精确波前控制

超表面的主要优势之一是能够以前所未有的精度设计光的色散。通过精心设计纳米结构图案，超表面可以操纵电磁场的振幅、相位和偏振，直至亚波长尺度。

这种控制水平使我们能够制造出具有像差校正功能（包括三阶像差和色差校正）的衍射极限透镜，而这在以前是传统衍射光学技术所无法实现的。

此外，超表面还具有无与伦比的偏振工程能力。Capasso 教授研究小组开发了广义傅里叶光学理论，将傅里叶系数视为超表面级琼斯矩阵的傅里叶变换。这一突破使偏振相机得以实现，只需一个镜头就能捕捉到场景中每个点的偏振光状态，与商业同类产品相比，大大降低了复杂性和占地面积。

应用和市场渗透

超表面的影响远远超出了学术研究的范围，在各行各业都有广阔的应用。

1.消费电子和成像：超表面最突出的应用是消费电子和成像。Capasso 教授与他人共同创办了 Metalenz 公司，该公司已成功地将超透镜集成到智能手机摄像头模块中。与传统的折射光学元件相比，这些扁平、轻质的透镜可提供像差校正，易于校准，并可节省成本。

2.汽车传感器：汽车行业正在采用超表面技术，以提高用于驾驶员监控、后视成像等的各种传感器的性能，并减小其尺寸、重量和功耗。

3.生物医学成像：超表面在生物医学成像方面具有潜在的应用前景，例如用于早期检测支气管肿瘤的光学相干断层扫描（OCT）。Leadoptik 等公司正在将微型成像仪器商业化，用于使用超透镜进行微创手术。

4.无人机和遥感：超表面背后的最初动机--在无人机上集成紧凑型光学器件，用于大气甲烷探测--仍然是一个相关应用。美国国家航空航天局（NASA）正在与Capasso 教授的研究小组合作，利用超表面探测圆偏振的独特能力，为地球科学和太阳物理学研究开发偏振敏感相机。

5.量子光学和结构光：超表面为量子光学提供了令人兴奋的前景，例如光子相关性研究和奇异量子态的实现。此外，不仅在横向平面，而且沿传播方向对光进行结构化处理，也为研究和应用开辟了新的途径。

挑战与未来方向

虽然超表面已经取得了显著进展，但仍有一些挑战有待解决：

1.宽带和大尺寸超透镜：实现高效、宽带、大尺寸且无色差的超透镜是一项持续的挑战。逆向设计和机器学习技术可能是克服这一障碍的关键。

2.放大到更大尺寸：尽管Capasso 教授研究小组已经成功展示了直径为 10 厘米的超透镜，但放大到更大尺寸对于大多数应用来说可能并不现实。不过，在透射光学元件稀缺的紫外光区，其科学应用的潜力仍然是一个引人入胜的可能性。

3.探索新材料：这一领域最初关注的是硅和二氧化钛等广为人知的材料，但目前正在探索钛酸钡和氧化铪等复杂氧化物的潜力，因为它们具有优异的电光和非线性光学特性。

4.可调谐超表面：实现高效、快速的可调谐性仍然是一项重大挑战。将超表面与空间光调制器（SLMs）相结合并探索新型调谐模式的混合方法有望在这方面取得进展。

未来轨迹

尽管挑战重重，但超表面的前景依然十分光明。Capasso教授预计，在基础研究和消费市场两方面都会有许多令人兴奋的发展。

超表面将能够创造出一类新的光学元件，而折射光学或标准衍射光学中没有相应的元件，特别是在偏振控制和全息领域。此外，将能够产生奇异量子态的二维材料与超表面提供的波前控制相结合，可能会发现基于强光-物质耦合的新现象和新器件。

随着色散工程技术的进步，超表面将继续推动结构光/暗和量子技术的发展，为光学和光子学开辟新的可能性领域。

结论

超表面代表着光学领域的范式转变，通过亚波长纳米结构的工程设计，对光的波前进行前所未有的控制。从用于消费电子产品的紧凑型高效透镜到先进的成像系统和量子光学应用，超表面有望彻底改变各行各业。

正如 Capasso教授所说："未来的确非常光明！" 随着研究和开发的不断深入，超表面无疑将重塑我们对光的理解和操纵，为科学和技术的革命性创新开辟道路。

参考来源

[1]R. Quidant, W. Aumiller, and F. Capasso, "An Interview with Federico Capasso," ACS Photonics, Feb. 27, 2024. [Online]. Available: https://doi.org/10.1021/acsphotonics.4c00122

[2]Meta Studio, https://latitudeda.com/