哈佛大学研发超晶胞超表面可用于光学传感

据麦姆斯咨询报道，哈佛大学John A. Paulson工程与应用科学学院(SEAS)的团队开发了一种能调整激光各种特征参数的超表面，且无需额外的光学元件。

超表面是以亚波长间隔的纳米结构阵列，可以操纵光的振幅、相位和偏振，实现3D微光学元件无法完成的各种光学功能。但当需要以较大偏转角度完成多个功能时，性能和效率则表现出局限性，这是因为没有充分考虑纳米结构之间的光学耦合导致的非局部相互作用。哈佛大学研究团队提出一种基于超晶胞超表面(supercell metasurfaces，简称：SCMS)的方法，以高效率、任意大偏转角度展示了多项独立光学功能。

多功能超表面的两种最简单方法(图1a、1b)基于使用局部亚波长单元晶胞(图1c)——旨在将局部相位或偏振分布通过晶胞传递给光的传播。在最简单的情况下，可以准备单元晶胞库来更改晶胞的某些物理参数并模拟其传输阶段(图1d)。当超晶胞周期性重复时，器件表现为光栅(称为“超光栅”，metagrating)，将光分成多个衍射级。通常，超光栅的功能是在一个选定的衍射级将所有光发射为对应的偏转角度，角度取决于超晶胞的周期(大小)(图1e)。研究人员展示了基于超晶胞库的超晶胞超表面，以便实现大偏转角度的多种功能，且不会损失效率(图1f)。

图1 超晶胞超表面概念

多光束超晶胞超表面

该论文展示了超晶胞超表面将准直后的偏振光束(即在52°的大角度下)分成三束独立光束且角度差异很大(图2a)。具体来说，零级仍然是高斯光束，一级被弯曲成52°，整形成贝塞尔光束，二级聚焦于104°并同时传递轨道角动量(OAM)，在焦点中创建奇点。

图2 多功能光束整形超晶胞超表面(SCMS)

基于超表面的外腔激光器

研究人员演示了波长可调超表面外腔激光器(MECL)。超晶胞超表面反射器设计克服了常用外腔激光器架构的缺点。虽然超表面已被用作内腔器件，以获得轨道角动量激光或改变固态激光器的发射方向，或作为增益介质，尚未考虑用于外部激光腔。研究人员试图将超表面反射器与二极管激光源倾斜，将激光产生的偏振光分成两束，并实现两种独立的光学功能：一束光束聚焦在激光二极管的表面，提供腔反馈并开启激光器工作;另一束光束是输出光束，可以被进行任意准直或整形，这是通过标准超表面或外腔设计无法实现的功能。在不改变输出光束方向的情况下，通过移动激光二极管的超晶胞超表面反射器来控制激光波长。

图3 基于超晶胞超表面的外腔激光器

自由曲面全息输出激光器

最后，研究人员演示了一个能产生任意全息输出的器件，且不会影响聚焦回激光端面的光(图4a)。这也作为对每个衍射级独立相控的演示。

图4 带全息输出光束的超晶胞超表面外腔激光器

“我们的方法为设计光源发射和控制多个功能的新方法铺平了道路。”哈佛大学Robert L. Wallace应用物理学教授、SEAS电子工程Vinton Hayes高级研究员、该论文作者Federico Capasso谈到，“除了控制任何类型的激光器，以任意角度平行产生多束光束的能力，每个光束实现不同功能，这将使从科学仪器到增强现实和虚拟现实(AR & VR)、全息应用成为可能。”