精確控製激光的各種特性的能力對於(yu) 我們(men) 今天使用的許多技術至關(guan) 重要，從(cong) VR耳機到現在用於(yu) 生物醫學研究的顯微成像。來自哈佛大學約翰·A·保爾森工程與(yu) 應用科學學院的研究人員開發了一種單一超表麵，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。該研究成果發表在Nature Communications上。

　　光的有效轉化和整形對於(yu) 科學和技術至關(guan) 重要。如今，現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時會(hui) 導致複雜的係統。相比之下，在更換後者使用metasurfaces時，可以實現緊湊、輕巧和定製的光學設備。metasurfaces是人工平麵超材料，其由亞(ya) 波長間隔納米結構陣列組成，通常稱為(wei) metaatoms，其可以在局部操縱光的幅度、相位和偏振，以實現各種光學功能，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範圍以產(chan) 生多功能超表麵（在圖1A-C中概括）是有限的，因此限製了廣泛的應用。目前還沒有在光束整形中具有亞(ya) 表麵靈活性的光學元件，這也實現了具有較大差的偏轉角的不同功能。

　　▲圖1. 廣義(yi) 的超表麵概念

　　a-c. 局部超表麵方法。可以通過將來自不同超表麵的單元進行交錯或利用傅立葉光學並將每個(ge) 函數所需的幅度和相位分布相加在一起來創建多個(ge) 函數。複振幅可以用瓊斯矩陣代替以實現偏振控製（矩陣傅立葉光學）。由於(yu) 其單位單元的局部性，這兩(liang) 種方法對於(yu) 大偏轉角的效率都很低。c. 局部超表麵的亞(ya) 波長晶胞圖解。d. 將局部實現的相移與(yu) 超原子的物理尺寸相關(guan) 聯的亞(ya) 波長單位單元的傳(chuan) 統超表麵庫的示例。e. 傳(chuan) 統的超晶胞超表麵基於(yu) 為(wei) 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麵（SCMS）概念基於(yu) 每個(ge) 位置的相位和極化的獨立控製，並在每個(ge) 階上實現獨立的功能。與(yu) 每個(ge) 函數相關(guan) 的遠場通過傅立葉變換與(yu) 在每個(ge) 階上實現的相位分布相關(guan) 。g. 與(yu) 亞(ya) 波長單位晶胞不同，超晶胞具有多個(ge) 衍射級，這取決(jue) 於(yu) 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，並且可以在設計中嚴(yan) 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(ge) 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，它基於(yu) 排列在離散晶格上的超級單元，其中每個(ge) 超級單元都是從(cong) 一個(ge) 庫（即超級單元庫）中選擇的，作為(wei) 超表麵。在局部超表麵（圖 1c）中，超原子是亞(ya) 波長，因此透射或反射的光不會(hui) 以多級衍射，並且超原子的幾何形狀決(jue) 定了超表麵對光的局部影響。例如，通過在晶格上對其進行離散化，並為(wei) 每個(ge) 位置選擇具有所需相位的元原子來實現所需的相位分布。相比之下，在 SCMS（圖 1g）中，超級單元更大，可以在局部視為(wei) 光柵。超級胞的大小決(jue) 定了要考慮的衍射級的數量和方向，而超級胞嵌體(ti) 可以改變或優(you) 化，以相互獨立地控製各個(ge) 級的複振幅（強度和相位）和極化。

　　因此，所提議的超級單元超表麵擴展的關(guan) 鍵思想是，通過在基板上的每個(ge) 位置從(cong) 超級單元庫中選擇一個(ge) 同時滿足所需相位和幅度的超級單元，可以在每個(ge) 階上實現獨立的幅度和相位分布。傳(chuan) 統的超表麵庫將超原子的物理尺寸與(yu) 其局部相位或極化函數相關(guan) 聯（圖1d）。相反，對於(yu) 我們(men) 的方法，可以編譯一個(ge) 包含超晶格幾何結構列表及其在每個(ge) 階上各自的相位和幅度的庫，並且可以使用專(zhuan) 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麵(SCMS)

　　多光束超晶格超表麵

　　作為(wei) 第一個(ge) 例子，研究人員展示了一個(ge) SCMS，它將準直的 s 偏振光束（以 52° 的大角度入射）分成三個(ge) 角度差異很大的獨立光束（圖2）。具體(ti) 來說，零階仍然是高斯光束，一階彎曲 52° 並成形為(wei) 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。

　　基於(yu) 超表麵的外腔激光器

　　最後，研究人員使用這種方法通過實驗證明了基於(yu) 外腔激光器 (MECL) 的波長可調超表麵。超級單元反射器設計克服了常用 ECL 架構的缺點。雖然超表麵已經被用作腔內(nei) 裝置來獲得軌道角動量激光或重定向來自固態激光器的發射，或作為(wei) 它們(men) 的增益介質，但尚未考慮將它們(men) 用於(yu) 外部激光腔。所提出的超表麵反射器相對於(yu) 二極管激光源傾(qing) 斜，將來自激光器的 s 偏振光分成兩(liang) 束，並在它們(men) 上實現兩(liang) 個(ge) 獨立的光學功能：一束光束被聚焦回到激光二極管的麵上，提供腔反饋並啟用激光操作，而另一個(ge) 是輸出光束，可以任意準直或成形，否則標準超表麵或外腔設計無法實現的功能。可以通過相對於(yu) 激光二極管移動超晶胞-超表麵反射器來控製激光波長，而無需改變輸出光束的方向。

　　▲圖3. 具有發散 (a-d) 和準直輸出 (e-l) 的基於(yu) 超表麵的外腔激光器 (MECL)

　　具有自由形式全息輸出的激光器

　　最後，研究人員演示了一種設備，它可以產(chan) 生任意的全息輸出，而不影響聚焦回激光麵的光(圖4)。這也是每個(ge) 衍射級上獨立的相位控製的一個(ge) 證明，這對於(yu) 超晶格超表麵是可能的。

　　▲圖4. 用電荷耦合器件照相機投射和測量的全息圖

　　通過具有百年曆史的哈佛盾牌，研究人員展示了可以完全控製激光束的形狀以投射複雜的全息圖。