在近代以来的光学发展史中，人类操控光的方式不断发生着范式的演化：从依赖衍射规律的光学元件，到通过人工结构调控电磁响应的超构材料，再到以阵列工程塑造波前的天线体系。进入 21 世纪，这三条原本平行的技术谱系经由衍射光学的维度压缩、超构材料的平面化、以及天线工程向光学频段的延伸，在亚波长结构的平面光学这一共同平台上深度汇聚，最终孕育出一种革新性的光场调控范式：超构表面（metasurfaces）。凭借超薄、轻量、可集成、多功能、可编程等优势，超构表面正在重塑成像、显示、量子光学、光计算等众多领域，并被视为下一代平面光学的核心基础。
在这一领域迅速扩张、新颖概念不断涌现、传统理论框架逐渐难以涵盖最新发展的背景下，浙江大学马耀光团队在国际权威期刊《Advances in Optics and Photonics》发表超构表面综述教程长文《Fundamentals to emerging concepts and applications of metasurfaces for flat optics: a tutorial》，系统整合了传统与新兴超构表面背后的物理机制、设计理念与发展脉络，构建出一个贯通基础物理、前沿概念、设计方法与器件应用的统一框架。这篇教程以全景式视角和教学化结构，为研究者提供了一部系统完整、深度与前瞻性兼具的权威参考。
作为一篇面向全球光学与光子学研究者和工程师的系统性教程，该文篇幅浩大、内容翔实，全篇长达 270 页，配备 73 张图示，引用文献多达 830 篇，在相关综述中极为少见。这一规模不仅体现了作者团队力求系统化梳理传统与新兴研究脉络的努力，也展示出本领域十余年快速发展的知识厚度与复杂性。值得一提的是，团队同时在 Github 开源了配套的代码仓库，提供了一个基于 Python 控制 Lumerical FDTD 的全自动化超构表面设计与仿真流程。该仓库覆盖结构设计、参数扫描、全波模拟、后处理和版图出具的完整工作流，并包含多种典型超构表面示例，为研究人员构建工程化设计流程提供了重要工具支持。
在内容组织上，这篇教程并未沿用传统的分类式写法，而是尝试以更具整体性的方式梳理超构表面的核心思想，力图把握各个概念方面之间的内在联系（图 1）。文章首先从光与亚波长结构的基本相互作用切入，将基于相位调控与波前工程的传统超构表面概念，与近年来备受关注的高质量因子谐振、非局域效应、手性响应、非线性过程、奇异点、时空调控以及复频率驱动等新兴方向加以贯通，展现出一个随着研究不断发展而逐步扩展的知识体系。在物理基础之上，作者进一步从设计实践的角度出发，介绍了多种主流的设计范式，包括基于局域周期近似的传统正向设计、基于优化的逆向设计策略以及以数据和模型为核心的机器学习方法，并结合其优缺点和适用场景展开系统说明。最后，通过成像、全息、量子光子学、光计算和主动调控等具有代表性的应用场景，展示超构表面在不同领域中的设计理念和方法，并将效率、带宽、视场、多路复用等跨场景的关键主题提炼为更具普适性的设计概念，帮助读者在全局视角下理解超构表面的技术潜力与进一步发展的可能方向。
图 1. 综述教程的结构示意图
图 2. 材料色散和谐振相位对传播相位的影响
图 3. 基于优化理论的超构表面逆向设计
图 4. 消色差超构透镜中的色散调控机制
图 5. 超构透镜的不同相位分布及其聚焦效果
图 6. 大视场全息的校正算法及其效果
尽管超构表面已发展十余年，其潜力极限仍远未被触及。随着非局域耦合、时空调控、量子调控、复频率激发等新机制不断涌现，光与物质相互作用的边界正被持续重写。正向设计与逆向优化的结合、新一代计算工具的出现以及制造工艺的进步，将为突破带宽、视场、效率和大尺度器件等长期瓶颈提供前所未有的可能。未来十年，超构表面将在更深的物理理解、更高维度的设计自由度与更成熟的工程体系推动下，既成为探索新颖光学效应的重要平台，也迈向真正的实用化与变革性应用。
该论文的完成单位为浙江大学光电科学与工程学院、极端光学技术与仪器全国重点实验室、杭州国际科创中心、浙江大学嘉兴研究院智能光电创新中心。论文通讯作者为马耀光教授，第一作者为博士生高宇斌。该研究得到了国家自然科学基金优青项目、浙江省自然科学基金杰青项目、国家重点研发计划项目的支持。
论文链接：
https://opg.optica.org/aop/abstract.cfm?uri=aop-17-4-789
Github 开源项目链接：
https://github.com/hzzg0727/Metasurface-Design
撰稿|课题组
