Advanced Photonics 2022年第2期文章：
Jaekyung Kim, Junhwa Seong, Younghwan Yang, Seong-Won Moon, Trevon Badloe, Junsuk Rho. Tunable metasurfaces towards versatile metalenses and metaholograms: a review[J]. Advanced Photonics, 2022, 4(2): 024001
光学成像和显示是光学领域的两个重要应用，并且随着科技的进步，已变得与我们的生活密切相关。例如，手机和相机里的镜头组就是高度集成化的光学成像系统，投影仪和电子器件显示屏都是高度成熟和商业化的显示系统。其中，成像和显示技术推动光学成像系统和显示系统向小型化和动态可控方向发展，而探索新的小型化和动态可控方式的新技术也成为了满足未来更为广阔应用的一个长期需求。超表面（metasurface）的出现为实现这一目标提供了一条有效途径。
超表面是近十年来才被提出，且快速发展的一种人工奇异表面。它由亚波长微结构构成，通过特殊宏观序列排列，能够以超薄的厚度（小于波长）实现对出射光相位、振幅、和偏振等参数的灵活调控。超表面器件，包括成像和显示器件，也迅速成为了光学领域的研究前沿。由于具有上述优异特性，基于超表面的透镜有望替代传统显微镜、摄像头和虚拟现实头盔等“笨重”成像系统。另外，超表面还将推动全息显示技术的发展，其亚波长的光调控能力突破了用于全息显示的传统空间光调制器的局限：例如由于像素远大于波长而带来的图像重影、视场角小及高阶衍射等问题。
目前，超表面透镜和全息器件已经在“小巧”和“静态”工作特征上充分表现出其优异的调控能力。若要能够使它们满足未来人们对成像和显示应用的需求，还需进一步拓展超表面的“动态”功能，使用一块超表面即能在其应用场景下具备足够的调控能力，如成像系统中的调焦和显示系统中的画面播放等。近年来，可调谐超表面成为了许多研究者的重点关注对象。
Advanced Photonics 特邀韩国浦项科技大学(POSTECH)的Junsuk Rho研究团队撰写应用于透镜和全息器件的动态可调谐超表面的综述文章。相关工作以Tunable metasurfaces towards versatile metalenses and metaholograms: a review为题发表于 Advanced Photonics 2022年第2期，是关注动态可调控超表面研究进展的必读。
该综述瞄准动态可调谐超表面透镜和全息显示，通过对已有的调谐方式进行分类，包括入射光源调制、电调制、和非电调制等，全面介绍了近几年来国际上研究人员在可调谐超表面透镜和全息器件这两方面的工作，并对相应调谐方式的基本工作原理、实现功能、优缺点、以及潜在的应用场景和未来发展方向进行了展示和讨论。其中，入射光源调制包括改变入射光的偏振、轨道角动量、光场分布等参数；电调制包括将电控材料集成到超表面整体中或者将电控材料运用到微结构的设计中；非电调控则包括材料温控、化学相变以及机械位移控制等。
超表面透镜的基本原理是利用可完全调控出射光相位的一组微结构单元，将这种微结构单元在界面上排成抛物面型相位分布，以补偿界面中心位置与其它位置出射光到达预定焦点的相位差，从而达到平面聚焦的功能；超表面全息的原理在底层上与超表面透镜相同，可以把焦平面看作是一副被重建的只有单一亮点的图片，那么全息超表面则可看作是由许多亮点图片对应的超透镜复振幅分布的线性叠加，可用微结构组直接排该复振幅分布，实现所需全息效果，也可利用迭代算法设计亮点相位，来达到仅排成特殊相位分布即可实现全息效果的目的。
对于可调谐超表面透镜，其主要目的是实现对焦点位置的控制；对于可调谐超表面全息，其重点则是要求在一个超表面上存储尽可能多的全息图像。两者的实现途径均是需要设法动态改变界面的相位分布，包括：利用微结构各向异性带来的偏振相关的相位控制能力，来实现不同偏振入射下不同焦点位置间和不同全息图像间的切换；利用集成了液晶、石墨烯和电光晶体等材料的微结构，在电压作用下分子朝向、费米能级和折射率的变化带来的微结构工作环境和局域响应的改变或开关效果，在一定范围内来实现对焦距大小的连续控制和对全息图像的开关及组合变化；以及利用柔性衬底拉伸、双层超表面空间组合相位分布的改变和相变材料变化前后对微结构谐振响应的不同，来综合设计并实现焦点位置的变化和不同全息图像间的切换。
图2 具有代表性的可调谐超表面透镜和全息。（A）通过拉伸衬底来调节焦距的超表面透镜原理图。（B）根据不同拉伸比测量的纵向光束分布图（上）；不同拉伸比透射交叉偏振光的强度分布（左下图）；测量和计算的拉伸比焦距图（右下图）。(C)使用轨道角动量(OAM)的视频元全息图插图。（D）通过改变入射光的角动量改变图像
特别要指出的是，近年来，在超表面全息方面，通过改变轨道角动量和编码入射场空间分布这两种独特的入射光调制方式，有望实现多个全息图存储，甚至实现全息视频播放。
在超表面的众多应用中，超表面透镜和全息显示技术是研究最为广泛的两个应用，也是最有希望走向实用化和商用化的应用，其中超表面透镜更是在2019年世界经济论坛上被提为“未来十大新兴技术”之一，全息显示技术也被视为目前最有前景的裸眼立体显示技术之一。虽然超表面透镜和全息研究的调控原理和方式基本相通，但它们的应用侧重不同：前者是为了满足未来对成像效果调控的需求，后者则是为了满足未来对不同显示效果调控的需求。另外，这些调控方法均具有普适性，涉及的对各种功能材料性质变化的巧妙应用，可供研究人员借鉴并用于其它功能的动态调控上。
通过对目前动态调控机制的整理和总结，该综述有望启发读者探索新的超表面设计和制备，以简化微结构设计和扩展自由度：如采用逆向设计和机器学习方法来寻找具有理想可调谐光学响应的微结构单元设计、开发高精度三维加工方法来拓宽设计自由度等。设计一个能够实现高效率、高速度的任意调控出射光局域电磁响应的亚波长量级微结构单元，是充分发挥超表面能力和实现任意调控应用的关键，也将是动态调控超表面研究的最终目标。
撰稿 | 天津大学 张学迁
编辑 | 邢晓
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