大約十年前，哈佛工程師首次展示了世界上首個(gè)可見(jiàn)光譜超表面——這種超薄平面器件表面布滿了納米級(jí)結(jié)構(gòu)，能夠精確控制光的行為。作為傳統(tǒng)笨重光學(xué)元件的革命性替代品，如今的超表面技術(shù)已催生出從成像系統(tǒng)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)到光譜學(xué)及通信領(lǐng)域的各類緊湊輕量多功能應(yīng)用。

如今，哈佛大學(xué)約翰·保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院（SEAS）的研究人員通過(guò)開(kāi)發(fā)雙層超表面，在技術(shù)上更進(jìn)一步。這種結(jié)構(gòu)并非單層，而是由兩層堆疊的二氧化鈦納米結(jié)構(gòu)構(gòu)成。在顯微鏡下，這種新器件猶如一片密集的階梯狀摩天大樓群。相關(guān)研究發(fā)表于《自然·通訊》期刊。

資深作者Federico Capasso表示："這是納米技術(shù)領(lǐng)域的頂尖突破"，他是SEAS應(yīng)用物理學(xué)Robert L. Wallace講席教授兼電氣工程Vinton Hayes高級(jí)研究員，"這一成果開(kāi)啟了結(jié)構(gòu)化光的新維度，使我們能以前所未有的方式調(diào)控光的波長(zhǎng)、相位和偏振等所有特性...標(biāo)志著超表面研究突破表面局限，開(kāi)辟了新方向。"

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從多個(gè)視圖掃描獨(dú)立雙層超表面的電子顯微鏡圖像

幾個(gè)世紀(jì)以來(lái)，光學(xué)系統(tǒng)依賴笨重的玻璃或塑料曲面透鏡來(lái)偏折和聚焦光線。過(guò)去十年由SEAS引領(lǐng)的超表面革命，開(kāi)發(fā)出布滿數(shù)百萬(wàn)微納結(jié)構(gòu)的超薄平面器件，能以納米級(jí)精度操控光波。超透鏡（metalens）便是典型例證：不同于傳統(tǒng)透鏡，超透鏡可利用現(xiàn)有半導(dǎo)體工藝制造，為智能手機(jī)、相機(jī)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備帶來(lái)小型化集成光學(xué)系統(tǒng)。

自Capasso團(tuán)隊(duì)首次展示可偏折可見(jiàn)光的實(shí)用超透鏡后，他們與哈佛技術(shù)發(fā)展辦公室合作，通過(guò)技術(shù)授權(quán)創(chuàng)立了Metalenz公司。后續(xù)研發(fā)已展示其在內(nèi)窺鏡、人工眼和望遠(yuǎn)鏡鏡頭等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用潛力。

但Capasso團(tuán)隊(duì)首創(chuàng)的單層納米結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在某些限制。例如，以往超表面需對(duì)光波的偏振（即電磁波振動(dòng)方向）提出特定要求才能實(shí)現(xiàn)光調(diào)控。

論文共同第一作者、研究生Alfonso Palmieri解釋道："此前已有許多關(guān)于雙層超表面理論可能性的探討，但真正的瓶頸在于制造工藝"。這項(xiàng)突破使人們可以設(shè)想新型多功能光學(xué)器件，例如單側(cè)投射一種影像、另一側(cè)顯示完全不同畫面的系統(tǒng)。

借助哈佛納米系統(tǒng)中心設(shè)備，由前博士后研究員Ahmed Dorrah和Joon-Suh Park等組成的團(tuán)隊(duì)，開(kāi)發(fā)出獨(dú)立自支撐的雙層超表面制造工藝。該結(jié)構(gòu)兩層結(jié)合牢固卻互不產(chǎn)生化學(xué)影響。雖然多層級(jí)圖案化在硅半導(dǎo)體領(lǐng)域已屬常見(jiàn)，但在光學(xué)和超光學(xué)領(lǐng)域仍屬前沿。

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獨(dú)立式雙層超表面的制造工藝

為展示器件性能，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)：利用雙層超透鏡對(duì)偏振光的作用，替代傳統(tǒng)復(fù)雜的波片-反射鏡系統(tǒng)。未來(lái)研究可擴(kuò)展至更多層級(jí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)光波其他特性的調(diào)控，例如覆蓋整個(gè)可見(jiàn)光及近紅外光譜的高效超寬帶運(yùn)作，為更復(fù)雜的光學(xué)功能打開(kāi)大門。

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