本文为《nanophotonics》杂志的2018年6月专刊"Honorary issue for Federico Capasso on “Metamaterials & Metasurfaces”"的一篇综述文章，作者为哈佛大学工程与应用科学学院的Federico Capasso教授。在这篇综述文章中，Cappasso教授回顾了他的课题组在超表面光学元件方面的研究进展，并对超表面这一研究领域的未来及前景做了个人的解读，对本领域的学者开展超表面的研究具有很高的指导意义。因此，我们将这篇文章全文翻译并发布并配合相关视频。
摘要：超表面（metasurface）可将(传统)光学元件重新设计（redesign）成轻薄化（thin）、平面化（planar）且多功能（multifunctional）的新型元件，有望大幅缩小元件尺寸（footprint）、减少系统复杂性（system complexity），并引入新的光学功能（new optical functions）。平面光学（flat optics）元件的平面特性将导致半导体制造业（semiconductor manufacturing）和透镜制造业（lens-making）相统一（unification）。用于制造计算机芯片的平面工艺技术（planar technology）将被用于制造一系列CMOS兼容（CMOS-compatible）的超表面（metasurface-based）光学元件，包括超透镜（metalens）到新型偏振光学（novel polarization optics）元件，从而对相关领域产生我所能预见到的最大技术影响力和科学影响力（greatest technological and scientific impact）。
关键词：平面光学（flat optics）；超透镜（metalenes）；超表面（metasurfaces）；平面光学（planar optics）；波前工程（wavefront engineering）
——— ||| 1.介绍 ||| ———
我(Federico Capasso)很荣幸(Nanophotonics杂志)为我专门发行的这一期专刊，同时我很感谢那些为本期专刊投稿的杰出同事们，以及负责整理稿件并发行专刊的编辑们，如Andrea Alu, Marko Loncar和Vlad Shalaev等的贡献。
我想利用这个机会重点关注超表面（metasurfaces）的发展潜力。超表面是纳米光子学（nanophotonics）领域扩展最快速的前沿分支之一，它通过取代诸多得到大规模（large-scale）应用的折射光学元件（refractive optics），并创造全新的功能（functionalities），从而彻底改变（revolutionize）光学领域的面貌。超表面，即具有亚波长尺度间距和光波长厚度的单元阵列（arrays of subwavelength spaced and optically thin optical elements），具有与(三维)体超材料（bulk metamaterials）截然不同的新物理和新现象，为我们提供了利用平面元件对光频电磁波进行波前（wavefront）完全调控(fully control)的独特能力（unique capability），因而诞生了平面光学（planar photonics, 又被称为flat optics）这一研究领域。在接下来的内容中，我将交替使用这些术语以及超构光学（metaoptics）等词汇。目前来看，三维超材料的制造复杂性（fabrication complexity）严重阻碍了其在光频段（optical wavelength）的技术应用。但是，随着超表面的出现，这种情况已经发生了根本性（radically）的改变。当然，预测新技术对未来的影响（future impact）总是十分困难的! 这就是我将这篇文章称为个人观点（personal perspective）的原因。本文专注于我的团队(Capasso Group)的研究，但最近的一些综述文章为这个快速发展（rapidly expanding field）的领域中大多数课题组的工作提供了详尽报道（exhaustive coverage） [2-9]。
——— ||| 2、超表面：颠覆性的技术 ||| ———
折射光学系统(Refractive Optics, RO)虽然在许多方面非常先进，并得到极为广泛的工业应用（industrial penetration），但仍然是基于具有数百年历史的玻璃模造成型（glass molding）技术，这种技术需要非常精确的表面成形（surface shaping）和多元件(如透镜组)的光学对准（optical alignment），而这将使光学组件笨重（bulky）且昂贵（expensive）。
超表面则可以用半导体芯片业（semiconductor chip industry）的标准工艺来制造，并且可以通过局部（locally）控制散射光（scattered light）的相移（phase shift），幅度（amplitude）和偏振（polarization），从而以基本上任意的方式重塑（mold）衍射波前，这个过程可以根据惠更斯原理（Huygen''s principle）与费马原理（Fermat''s principle）来直观地理解。 超表面对科学和技术均有重大启示(implications)，一方面它为产生结构光（structure light）提供新的工具（tool kit），另一方面，它的出现使得重新设计（redesign）基本上所有传统光学元件（conventional optical components）以及发明新的光学元件成为可能。我们进入（entry）这一领域始于设计具有恒定相位梯度（phase gradient）的超表面，它满足广义斯涅耳定律（generalized Snell laws）和反射定律（reflections laws），其中偏转角由相位梯度（phase gradient）控制 [10]。
只需单个光刻掩模（lithographic mask）便足以产生任意相位分布轮廓（arbitrary phase profile）并且可在同一表面上集成多个光学元件。事实上，使用成熟的光刻和沉积技术（well-established lithographic and deposition techniques）制造的光学元件（optical elements）库，能够高精度（with high fidelity）的将所需的相位分布轮廓数字化（digitizes）。虽然电子束光刻技术（e-beam lithography）已被广泛用作实验室工具（laboratory tool），但未来的工艺将使用深紫外光刻技术（deep UV lithography）进行近红外和可见光元件的研究，并且可能采用纳米压印光刻技术（nano-imprint lithography），配合能可靠加工的材料大面积（large areas）制备所需的纳米结构（nanoscale features），可选择的材料包括硅，二氧化硅，二氧化钛 [11]和各种绝缘体和以及半导体。超构光学元件的CMOS兼容性具有技术上的颠覆性意义。试想在手机、笔记本电脑和几乎所有的相机中无处不在（omnipresent）的相机模块(camera modules），在未来，这些镜头组件将被由光刻和其他CMOS兼容工艺（如原子层沉积 [11]）制成的光波长厚度的超透镜(组)取代，而这将使得同一家公司/代工厂（company / foundry）能够同时制造整个相机模块和传感器芯片（sensor chip）以及光学元件（optics），从而打破标准的商业模式（standard business model）。由此产生的模块将比传统模块更薄，而且由于超表面光学元件的平面特性，在组装/封装（assembly/packaging）和光学对准（optical alignment）方面具有额外的优势。为直观地说明这些要点[12]，请看视频https://www.youtube.com/watch?v=ETx_fjM5pms
https://v.youku.com/v_show/id_XMTY0MDg3ODY0MA==.html?spm=a2h3j.8428770.3416059.1
扁平化(Flat)或平面化(planar)元件有望在大量应用中取代折射（refractive）和衍射光学（diffractive optics）元件，这些应用包括手机（cell phone）和笔记本电脑（laptops）中的相机模块，可穿戴光学元件（wearable optics）、虚拟现实（VR）等其他设备中的显示模块。鉴于超构光学元件是一种衍射光学元件，这里有必要指出它与菲涅耳光学元件（Fresnel optics）相比所具有的一些独特特性。
后者（菲涅尔光学元件）需要多级光刻（multilevel lithography），并且由于难以补偿的强烈色差（chromatic aberrations），其实现多波长/宽带（multi-wavelength/broadband）工作的能力非常有限。超构光学元件中光学单元的亚波长（subwavelength）排布规避了寄生衍射级（spurious ）的形成，寄生衍射级普遍存在于（prevails in）诸如光栅等的常规衍射元件（conventional diffractive components）中，因为它们的组成单元的间隔（space）为波长尺度（wavelength scale）。这些寄生衍射级（spurious orders not）不仅会降低衍射元件的效率（efficiency），还会产生不良影响，如虚焦点（virtual focal spots），光晕（halos）和鬼像（ghost image）。由于上述原因以及与脊状结构（ridges）和槽状结构（groves）相关的制造公差，菲涅耳透镜不适合用于成像（imaging）且分辨率没有达到衍射极限（are not diffraction limited），这阻止了它实现高分辨率（high-resolution）。
除了能够实现更薄且更紧凑（much thinner and less bulky）的光学元件外，超表面还具有以极简单的方式（greatly reduced complexity）（通常只需要一个超表面）实现复杂光学元件/仪器的可能性，以及在同一相位分布轮廓（same phase profile）中集成多个功能（multiple functions）的可能性。
——— ||| 3、超透镜 ||| ———
折射式透镜(refractive lens)需要非球面形(non-spherical shape)以矫正球差(spherical aberration)(消球差透镜(aplanatic lens))并实现衍射极限聚焦(diffraction-limited focusing)（这又需要十分复杂的加工设备来达到相位控制(phase control) 所需的精度）或者需要采用材料组分逐渐变化(compositionally varying material)的平面圆柱结构(planar cylindrical configuration),以提供聚焦所需的折射率梯度(graded refractive index)（GRIN透镜）。矫正其他单色像差(monochromatic)，比如慧差(coma)、畸变(distortion)、像散(astigmatism)和场曲(field-curvature)需要多个透镜，这增加了组件尺寸(footprint)和系统复杂度(complexity)。介质超透镜（dielectric metalens）则可以通过设计达到高效率的衍射极限聚焦[9,12]，而简单的双胶合超透镜(doublet)即可得到大视场(field of view）（~50°）且接近衍射极限的可见光成像 [13]。单波长超透镜的应用范围很广，包括安保（security）、机器视觉(machine vision)、激光光刻(laser lithography)以及共聚焦显微镜(confocal microscopy)。
消色差聚焦(achromatic focusing)对于实现宽频段工作(broadband operation)是必需的，但要在整个可见光波段实现这一目标是一个技术上的挑战，而这又会导致很厚的镜头(thick objectives)。通过采用合适的超透镜单元的纳米构型 (nanostructuring)（典型的选择有柱状结构(pillars)和鳍状结构(fins)，它们可以被视为具有亚波长长度(subwavelength-long)的波导结构(waveguides)，可以用有效模式折射率(effective mode index)来描述），色散(dispersion) （也即依赖频率的相位(frequency-independent phase)）可以人为进行设计，从而使得群延迟(group delay)不随波长变化因而群延迟色散在期望波段可以忽略不计。最近，我的团队使用单个超透镜实现了对可见光(visible)的宽带消色差聚焦 (broadband achromatic focusing) 和白光成像(white-light imaging)[14]。最重要的是，超透镜的焦距也可以设计为根据波长增加而增大或减少，分别模仿(mimicking)折射式透镜(refractive lenses)和菲涅尔透镜(Fresnel lenses)的行为，或者实际上，可以按照所需的特定功能(particular function)来设计超透镜的色散特性(dispersive behavior)。
工作在近红外(near IR)和可见光波段的大面积超透镜需要极大的设计数据量(extremely high data density over large areas)，这将会产生无法处理(unmanageably)的大型文件，这使得超透镜的可加工尺寸被限制在几个毫米以内。例如，一个直径为5厘米的超透镜器件可以包含超过60亿个超构单元(meta-elements)，对每个单元的位置（position）和半径（radius）的描述都必须达到纳米精度，这将产生超过200GB的文件。由于这些设计文件（design files）后续要经过密集计算(computationally intensive)的过程，比如在被掩膜曝光设备(mask-writing equipment)使用之前必须进行的数据转换(data conversion)（通常被称为“图元分割”(fracturing)），因此这些文件尺寸的压缩(minimized)变得极为重要，只有这样他们才能被芯片代工厂(chip foundries)处理。
通过一种新型的可拓展(scalable)超透镜版图压缩算法(layout compression algorithm)（METAC），我们可以指数级(exponentially)的压缩设计文件尺寸（1厘米直径超透镜的设计文件尺寸减小三个数量级）同时减少步进光刻(stepper photolithography)次数。利用该算法，我的课题组最近设计并制造出大尺寸的超透镜。使用以这种方式制造的2 cm直径且厚度小于1 μm的单个近红外超透镜，我们实验验证了理想的薄透镜方程(ideal thin lens equation)，同时展示了高质量成像(high-quality imaging)和衍射极限聚焦(diffraction-limited focusing)。
下一个挑战是采用直径约1厘米的超透镜，在整个可见光波段得到宽带消色差聚焦(achromatic broadband focusing)，并进一步矫正单色像差如慧差。在这个问题上，对亚波长厚度的多层超表面(multilayer metasurfaces)进行拓扑优化(topological optimization)的最新进展可能会有所帮助 [16]。
焦距调整(focal adjustment)和变焦(zooming)广泛应用于相机和先进光学系统中(advanced optical systems)。它通常通过机械(mechanical)或电学(electrical)方式沿光轴进行。超透镜，作为可能导致未来手机和可穿戴显示设备(wearable displays)小型化 (miniaturization)的关键技术，则需要基于横向移动(lateral motion) 而非纵向移动(longitudinal motion)的调节模式。最近，我的课题组和哈佛大学David Clarke课题组合作，实验性展示了通过弹性体(elastomers)控制的电可调控(electrically tunable)大面积超透镜，它同时具有更大的焦距调节(focal length tuning)范围（大于100%）和实时色散(real-time astigmatism)和图像偏移(image shift)矫正功能，这些功能在目前为止都只能通过电子束光学元件(electron optics)实现[17]。
该器件的厚度仅为30微米。这些结果展示出未来实现完全电子操控(operate fully electronically)的光学显微镜(optical microscopes)的可能性，以及实现利用自适应光学原理(principles of adaptive optics)来同时矫正多阶像差(many orders of aberrations)的精密光学系统(compact optical systems)的可能性。
——— ||| 4、多功能元件：偏振光学 ||| ———
显然（notably），多种光学功能可以嵌入进一个超表面相位分布（metasurface-phase profile）中，这不仅能够减小元件尺寸（footprint）和复杂性（complexity），提高系统性能，还可用于制造新型的光学元件和仪器。这方面的最新案例是来自于我的课题组的一种新型超透镜，在用相反的圆偏振光照射时手性物体并通过该超透镜会产生的两个空间分离的像，从而实现圆二色光谱学 [9]。这种简单的设备取代了多个相位板（phase plates）和两个平行光路（parallel optical paths）。
类似地，利用具有高度色散能力的离轴焦点超透镜（off-axis metalenses），而非光栅和准直镜，实现了可见光波段光谱分辨率（spectral resolution）为0.3 nm的厘米尺寸（centimeter-size）的光谱仪[18]。此外，该光谱仪能够在单次测量（single measurement）中分辨光线不同的螺旋性(different helicities of light)。这是如何针对特定功能（particular function）优化超透镜色散的重要案例（important example）。
超构光学（Metaoptics）有望在偏振光学（polarization）领域产生重大影响。偏振光学的基本单元是偏振器和相位延迟器（phase retarders）（波片）。延迟器通常采用体双/单轴晶体（bulk bi/uniaxial crystals）制成，其双折射特性（birefringent properties）允许偏振转换（polarization conversion）。然而，这些波片难以制造（fabricate）和加工（process），并且难以集成（integrate）。例如，目前的偏光计（polarimeters）依次使用多个光学元件进行偏振态分析（polarization analysis），因此它们通常会变得庞大（bulky）且昂贵（expensive）。而超表面光学元件可具有人工定制的结构双折射（structural birefringence），这也使超表面成为研制可以规避上述问题的新型偏振光学元件的诱人平台（fascinating platform）。
简而言之，超表面可用单个平面光学元件（a single, flat optical element）取代基于体双折射晶体的复杂级联式偏振元件（complex cascades）。以在线偏光计（in-line polarimeters）为例，它对光信号进行无损偏振测量（nondestructive polarization measurement），并且在监视和控制各种偏振环境（例如光网络）中起关键作用。无论是制造成光纤光器件式还是自由空间光器件（free-space optics）式，目前的在线偏光计仍由多个光学元件构成。我们最近展示了一种有助于单片集成的新型器件架构（novel architecture），该架构使大批量制造具有高稳定性（stability）、高紧凑性（compactness）和高速（speed）的偏振传感器成为可能 [19]。由亚波长天线阵列组成的超表面被设计成可以产生四个散射光束（scattered beams），每束散射光的强度与入射信号的不同偏振分量（polarization components）相关。通过直接探测这些散射光束的强度，可以对入射光进行快速偏振态测量，从而得到由单个平面光学元件与四个光电探测器构成的极紧凑型的偏光计。它提供了与最先进的商业偏光仪可比拟的偏振态测量功能。最近，这项工作被进一步拓展为能够测量四个电信波长信道偏振态的光纤耦合超表面偏振计（fiber-coupled metasurface polarimeter）[20]。
偏振态可以被用于获取在一个超表面中内嵌的两种不同的功能。两个完全独立的相位分布可以内嵌在同一超表面中，随后通过相互垂直的两种偏振态（线偏振或更一般的椭圆偏振）分别获取，并在远场中产生相应的两种互相独立的图像（全息图）[21]。类似地，我们展示了椭圆偏振分束器，一种新型的光学元件[21]。这种分束器通过对两种入射偏振态施加对应于不同偏转角的两个独立相位分布从而实现偏振分束。这对于任何一组相互正交的两种椭圆偏振态都是可能的。近期的工作表明，通过巧妙设计的超表面，入射偏振是如何控制从自旋（SAM）到轨道角动量（OAM）的转换。我们演示了一种将左旋圆偏振和右旋圆偏振转换为具有独立OAM值的OAM状态的超表面元件，以及另一种用两个椭圆偏振态执行此操作的超表面元件，唯一的要求是它们是正交的[22]。这些结果可能会在结构光，奇异光学和量子光学方面开辟新的方向。
偏振信息可以揭示在非偏振成像中无法获取的细节。例如，汽车安装的偏振相机可以很容易地区分道路环境中的水和泥水坑; 偏振成像可以揭示人造塑料和其他像坦克一样大的物体中的由应力导致的双折射信息，而这些传统相机无法看到的。因此，超表面的一个特别有吸引力的应用方向在于偏振成像，因为偏振相机尚未得到广泛应用，而目前可得到的偏振成像装置昂贵，笨重且慢。 然而，基于超表面的独特偏振调控能力，人们可以预见未来利用基于超表面的紧凑且廉价的偏振相机来克服这些局限，从而在许多领域产生变革性影响，例如自动驾驶，3D深度视觉，增强现实，遥感和安全。
——— ||| 5、结论 ||| ———
总之，超表面提供了将光学元件重构（recasting）成超薄平面元件的技术基础（basis）. 超表面的平面化特性（planarity）使其制造工艺流程（fabrication routes）可以直接与成熟的集成电路工业的传统工艺流程整合，这使得超表面具有巨大的(也是三维超材料从未有过的)发展空间。大规模生产超表面（mass produce metasurfaces）的技术可以追溯到20世纪90年代早期，当时半导体制造业的特征尺寸（feature sizes）已经随着摩尔定律的推进（advanced in stride with Moore''s law）而变得小于光的波长. 这为统一两个行业提供了可能性：半导体制造业（semiconductor manufacturing）和镜片制造业（lens-making），依靠与制造计算机芯片的一样的技术用于制造基于超表面的透镜和其他光学组件。因此，我预测（envision）未来在基于超表面的数字光学（digital optics）领域，光学元件的密度（density of optical components）和每个超表面的功能数（functionalities per metasurface）都会增加; 而究竟何种经验法则能像摩尔定律被用于预测微电子行业发展那样适用于数字光学领域的发展，则是一个令人着迷的话题。
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