精確控制激光的各種特性的能力對于我們今天使用的許多技術至關重要，從VR耳機到現(xiàn)在用于生物醫(yī)學研究的顯微成像。來自哈佛大學約翰·A·保爾森工程與應用科學學院的研究人員開發(fā)了一種單一超表面，可以有效地調整激光的不同特性，包括波長，而無需額外的光學組件。該研究成果發(fā)表在Nature Communications上。

光的有效轉化和整形對于科學和技術至關重要。如今，現(xiàn)代多功能光學器件需要多種功能，這在用散裝光學器件實現(xiàn)時會導致復雜的系統(tǒng)。相比之下，在更換后者使用Metasurfaces時，可以實現(xiàn)緊湊、輕巧和定制的光學設備。Metasurfaces是人工平面超材料，其由亞波長間隔納米結構陣列組成，通常稱為Metaatoms，其可以在局部操縱光的幅度、相位和偏振，以實現(xiàn)各種光學功能，例如鏡頭、結構光、增強型攝像機和光學計算等。然而，電流方法的效率和角度范圍以產生多功能超表面（在圖1A-C中概括）是有限的，因此限制了廣泛的應用。目前還沒有在光束整形中具有亞表面靈活性的光學元件，這也實現(xiàn)了具有較大差的偏轉角的不同功能。

▲圖1. 廣義的超表面概念

a-c. 局部超表面方法。可以通過將來自不同超表面的單元進行交錯或利用傅立葉光學并將每個函數(shù)所需的幅度和相位分布相加在一起來創(chuàng)建多個函數(shù)。復振幅可以用瓊斯矩陣代替以實現(xiàn)偏振控制（矩陣傅立葉光學）。由于其單位單元的局部性，這兩種方法對于大偏轉角的效率都很低。c. 局部超表面的亞波長晶胞圖解。d. 將局部實現(xiàn)的相移與超原子的物理尺寸相關聯(lián)的亞波長單位單元的傳統(tǒng)超表面庫的示例。e. 傳統(tǒng)的超晶胞超表面基于為單一功能設計的超晶胞陣列，例如超晶格光柵。f. 提出的擴展超晶胞超表面（SCMS）概念基于每個位置的相位和極化的獨立控制，并在每個階上實現(xiàn)獨立的功能。與每個函數(shù)相關的遠場通過傅立葉變換與在每個階上實現(xiàn)的相位分布相關。g. 與亞波長單位晶胞不同，超晶胞具有多個衍射級，這取決于超晶胞元件之間的耦合。隨著偏轉角的增加，這種非局部性變得很重要，并且可以在設計中嚴格考慮。h. 非局部超胞的多維庫示例。該庫包含所有訂單的每個可能的相組合的超級單元。

研究人員的 SCMS 方法概括了以前的方法，它基于排列在離散晶格上的超級單元，其中每個超級單元都是從一個庫（即超級單元庫）中選擇的，作為超表面。在局部超表面（圖 1c）中，超原子是亞波長，因此透射或反射的光不會以多級衍射，并且超原子的幾何形狀決定了超表面對光的局部影響。例如，通過在晶格上對其進行離散化，并為每個位置選擇具有所需相位的元原子來實現(xiàn)所需的相位分布。相比之下，在 SCMS（圖 1g）中，超級單元更大，可以在局部視為光柵。超級胞的大小決定了要考慮的衍射級的數(shù)量和方向，而超級胞嵌體可以改變或優(yōu)化，以相互獨立地控制各個級的復振幅（強度和相位）和極化。

因此，所提議的超級單元超表面擴展的關鍵思想是，通過在基板上的每個位置從超級單元庫中選擇一個同時滿足所需相位和幅度的超級單元，可以在每個階上實現(xiàn)獨立的幅度和相位分布。傳統(tǒng)的超表面庫將超原子的物理尺寸與其局部相位或極化函數(shù)相關聯(lián)（圖1d）。相反，對于我們的方法，可以編譯一個包含超晶格幾何結構列表及其在每個階上各自的相位和幅度的庫，并且可以使用專用代碼（例如 Reticolo 或 S4）模擬超晶格。 

▲圖2. 多功能波束成形超晶格超表面(SCMS)

多光束超晶格超表面

作為第一個例子，研究人員展示了一個 SCMS，它將準直的 s 偏振光束（以 52° 的大角度入射）分成三個角度差異很大的獨立光束（圖2）。具體來說，零階仍然是高斯光束，一階彎曲 52° 并成形為貝塞爾光束，第二階以 104° 的角度聚焦，同時賦予軌道角動量 (OAM)，在焦點上形成奇點，訂單的模擬遠場顯示在同一原理圖中的帶框插圖中。

基于超表面的外腔激光器

最后，研究人員使用這種方法通過實驗證明了基于外腔激光器 (MECL) 的波長可調超表面。超級單元反射器設計克服了常用 ECL 架構的缺點。雖然超表面已經被用作腔內裝置來獲得軌道角動量激光或重定向來自固態(tài)激光器的發(fā)射，或作為它們的增益介質，但尚未考慮將它們用于外部激光腔。所提出的超表面反射器相對于二極管激光源傾斜，將來自激光器的 s 偏振光分成兩束，并在它們上實現(xiàn)兩個獨立的光學功能：一束光束被聚焦回到激光二極管的面上，提供腔反饋并啟用激光操作，而另一個是輸出光束，可以任意準直或成形，否則標準超表面或外腔設計無法實現(xiàn)的功能。可以通過相對于激光二極管移動超晶胞-超表面反射器來控制激光波長，而無需改變輸出光束的方向。

▲圖3. 具有發(fā)散 (a-d) 和準直輸出 (e-l) 的基于超表面的外腔激光器 (MECL)

具有自由形式全息輸出的激光器

最后，研究人員演示了一種設備，它可以產生任意的全息輸出，而不影響聚焦回激光面的光(圖4)。這也是每個衍射級上獨立的相位控制的一個證明，這對于超晶格超表面是可能的。

▲圖4. 用電荷耦合器件照相機投射和測量的全息圖

通過具有百年歷史的哈佛盾牌，研究人員展示了可以完全控制激光束的形狀以投射復雜的全息圖。