超表面透镜偏振可切换的多通道功能复用

超表面概念的提出为研究平面化和超薄的光学元器件提供了一种全新的设计思路。传统的几何相位型的超表面透镜受制于偏振锁定的限制,阻碍了其实现多功能的复用。文章提出了一种通过几何相位实现超表面透镜偏振解耦的方法。进一步,利用该方法作者实现了超表面聚焦透镜在纵向以及纵向和横向实现多通道功能（如聚焦光斑和聚焦涡旋）的复用和偏振可切换特性。相关研究为实现多功能可集成的平面化器件提供了新的研究思路。     

轨道角动量超表面全息复用研究进展

光子的轨道角动量（OAM）由于理论上的无限模式数而被广泛用于提高数据传输的信道容量。由光学薄膜和亚波长结构阵列组成的超表面可以操纵光学维度，实现高性能的光子集成，而利用超表面实现OAM复用有利于光学器件向小型化、多功能化方向发展。通过设计超表面的幅度与相位分布可以实现OAM全息，将OAM与偏振、波长、角度等其他光学维度结合可以获得多自由度大容量OAM复用全息。本综述将从这些方向展开，论述近年来利用超表面实现OAM复用全息的研究进展。提高OAM复用全息的自由度并改善成像质量，实现安全性、集成度更高的光学元器件，是未来OAM全息的发展方向。     

基于多元信息的多功能电磁集成超表面研究进展

作为超材料的二维形式,梯度超表面由于其超薄结构、灵活的各向同性/异性结构选择和突变相位特性,具有很强的电磁波前操控能力,是目前的研究热点。该文率先提出以激励电磁波的极化元、频率元、角度元、方向元以及出射电磁波的位置元等一元、二元甚至多元信息组合编码的多功能分类方式,详细归类总结了多功能集成超表面的研究进展,获得了多功能集成超表面清晰的研究方案和技术路线。该文对多功能电磁超表面未来可能的发展方向进行了展望,旨在为多功能超表面研究提供新思路,实现更新颖、更复杂和更大容量的集成波前调控和功能器件,促进未来通信和雷达器件的集成与小型化发展。      

智能超表面辅助6G通感算深度融合关键技术

为支撑新兴业务实施和产业升级，未来无线通信网络将提供通信、感知、计算（通感算）的融合服务。智能超表面作为6G重要的备选技术，能有效提升系统的通信、感知、计算性能，具有构建通感算一体化系统的潜力，近年来得到广泛关注。为此，首先介绍了智能超表面辅助的通感算融合系统的研究现状，进一步介绍智能超表面辅助通感算融合的关键技术，最后分析了智能超表面辅助通感算融合网络的技术挑战。对智能超表面在通感算领域的应用做了系统地阐述，为未来通感算融合网络提供技术支撑。     

利用超表面的涡旋光束产生进展（特邀）

涡旋光束因为携带轨道角动量,在光通信、粒子操纵及量子信息等领域都具有重要的应用前景。目前有很多方法可用于产生涡旋光束,如利用螺旋相位板、模式转换、空间光调制器等。然而,传统的方法需要搭建体积相对较大的光学系统,限制了其在集成光学等领域中的应用。不同于传统方法中通过传输效应来获得相位变化,超表面可以通过纳米结构使入射光产生相位突变,在纳米尺度上独立控制动态或几何相位以产生涡旋。超表面具有强大光控制能力的同时,还具有体积小、易于集成等特点,因此成为了产生涡旋光的理想方法。文中在介绍产生涡旋光束基本原理的基础上,回顾了近年来利用超表面产生涡旋光束的研究进展。首先介绍了利用动力学相位、Pancharatnam-Berry (P-B)相位以及混合相位产生光学涡旋的方法。随后,对利用全息与编码超表面产生涡旋及通过多路复用产生多个涡旋等不同方法进行了综述。最后,对基于超表面产生涡旋的一些亟待解决的问题和应用前景作了简单总结与讨论。     

面向光纤多模选择性激发的电磁超表面设计

针对光纤中多个模式的选择性激发问题,提出利用介质超表面实现光纤多模的频率选择性激发方案. 将超表面结构分为四个象限区,对前三象限超表面结构采用便利搜索法设计,对第四象限结构采用深度学习方法进行反向设计,实现了频率控制两个模式的模分复用. 该方案为实现光纤多模复用提供了一种新的思路,且选择性激发的模式个数具有可拓展性;在通信领域具有潜在的应用前景.     

超分辨近场结构之纳米光刻技术

超分辨近场结构(Super-RENS)是在传统的超分辨光盘技术和近场光学的基础上发展起来的新技术.介绍了超分辨近场结构的基本原理及其在纳米光刻方面的应用,拓展了超分辨近场结构的外延:在近场范围内,能实现超过衍射极限的纳米多层膜结构.局域表面等离子体效应在高密光存储、纳米光刻等纳米光子学研究领域具有重要的科学意义和应用价值.     

非线性激光制造的进展与应用（特邀）

超快激光是指脉冲宽度极窄的激光,其瞬时功率极高,与物质之间的相互作用呈现出非线性、非平衡、多尺度的状态。超快激光具有超快（脉冲持续时间短）、超强（瞬时功率高）、超精细（加工结构精细）等特点,由此实现的非线性激光制造技术可以打破传统微纳制造的局限,实现各类难加工材料和复杂微纳结构的超精细制造,精度可达亚微米至纳米量级,在微光学、生物医学、智能电子器件等前沿领域体现出了独特的应用价值。文中主要聚焦飞秒激光微纳加工技术前沿,简要概括了飞秒激光加工的特点;介绍了飞秒激光加工的主要技术手段,包括飞秒激光直写和飞秒激光并行加工;讨论了飞秒激光加工技术的前沿应用领域,如微纳光学器件、微流体器件、多功能结构化表面、生物医学工程等;最后,对飞秒激光加工制造技术未来的发展趋势和研究方向进行展望。     

面向无线通信的轨道角动量关键技术研究进展

电磁涡旋因携带轨道角动量而具有高维可调制自由度,被引入无线通信中以提升频谱效率和抗干扰能力。该文首先介绍了轨道角动量和电磁涡旋的基本原理与特性;然后比较了电磁涡旋的产生方法,给出了超表面产生轨道角动量的工作原理,综述了基于超表面的轨道角动量产生方法和研究现状;总结了轨道角动量的传输性能、接收与检测方法、复用与解复用性能;最后讨论了未来在应用无线通信轨道角动量时需要解决的关键问题。     

纳米机械加工与材料表面性质研究

纳米科技的发展和应用涉及纳米器件的加工、制作以及加工表面特征、性质和功能等研究。获得能够控制在微小区域的纳米加工技术手段、能对不同材料进行纳米加工以及能对过程和加工表面进行检测分析等是十分重要的。本文结合扫描探针显微镜和金刚石超精密加工技术，对金刚石纳米切削展开实验研究。实验表明，结合扫描探针显微技术直接使用金刚石刃具进行材料的纳米量级机械加工，能够适应对不同材料微去除加工的要求，可同时对加工表面、机械加工机理以及表面的加工力学性能等进行综合研究，是一种良好的纳米加工方法。     

基于手性光场作用的超颖表面的相位调控特性及其应用

超颖表面是近些年刚发展起来的一个有着重要应用潜力的新兴前沿领域。文中在对超颖表面研究现状的分析基础上,提出并研究一种基于棒形纳米天线阵列的超颖表面,在手性圆偏振光场作用下产生无色散的表面相位突变,从而对出射光波前相位进行调控,并在此基础上研究若干新颖功能应用,包括依赖于手性的广义折/反射定律,双极性可控平板透镜,宽带涡旋光束生成,手性选择性表面等离激元定向激发,三维纳米全息等。     

基于Ω型共形超颖表面的曲面全息

共形超颖表面可以打破物体几何形状与光学功能之间的限制,使散射波前得到任意的调制。文中展示了一种自适应的共形超颖表面,该超颖表面由非手性镜面对称的型金纳米天线组成,可以集成在任意形状的基底上,在可见光范围内（=450 nm）实现曲面全息。共形超颖表面的相位调制方法依赖于贝里相位,通过旋转纳米天线的方位角,可以在每个亚波长单元中进行连续的相位控制。这种共形超颖表面包裹在曲面拓扑物体上可以用于各种实际应用中,如曲面透镜聚焦、隐身和安全打印技术。     

太赫兹波前调制超表面器件研究进展

超表面是一种由人工微结构组成的超薄平面器件,能够实现对电磁波振幅、相位以及偏振态的调控,具有体积小、重量轻、集成度高、可灵活操控电磁波等优势,在电磁波谱、波前调制中发挥着巨大的作用。综述了近年来基于超表面的太赫兹波前调制器件的研究进展。总结了基于Pancharatnam-Berry相位、基于局域表面等离子体共振(LSPR)、基于Mie共振的三种超表面单元结构对电磁波的振幅、相位调控机理,并讨论了实现高效率超表面的方法。之后,介绍了用于设计波前调制超表面器件的纯相位调制方法和复振幅调制方法。综述了在太赫兹波段典型的超表面波前调制器,包括单一功能、复合功能以及可调谐功能的超表面波前调制器件。在早期的研究工作中,设计的超表面可实现波束偏转、波束聚焦、全息成像、以及涡旋光束、自聚焦光束、洛伦兹光束等特殊光束产生等功能。为提高太赫兹器件的利用率,波分复用、偏振复用等功能复用的太赫兹超表面器件被提出。随着对太赫兹波前动态调控需求的增长, 一些主动的太赫兹超表面器件被提出并在实验上被验证。共有两种主动的超表面器件。其中一种主动超表面是通过将超表面结构与半导体材料或相变材料结合形成的,另一种是通过光泵浦硅片形成的全光器件。全光超表面在不用重新加工的前提下能够被重复使用。通过调整投影在硅片上的超表面图像即可动态操控太赫兹波前。全光超表面具有动态控制波束扫描和波束聚焦的能力,将来可应用于太赫兹通信、太赫兹雷达等领域。最后,对太赫兹波前调制超表面器件的发展趋势与应用前景进行了展望。     

Laser-Empowered Random Metasurfaces for White Light Printed Image Multiplexing

Printed image multiplexing based on the design of metasurfaces has attracted much interest in the past decade. Optical switching between different images displayed directly on the metasurface is performed by altering the parameters of the incident light such as polarization, wavelength, or incidence angle. When using white light, only two-image multiplexing is implemented with polarization switching. Such metasurfaces are made of nanostructures perfectly controlled individually, which provide high-resolution pixels but small images and involve long fabrication processes. Here, it is demonstrated that laser processing of nanocomposites offers a versatile low-cost, high-speed method with large area processing capabilities for controlling the statistical properties of random metasurfaces, allowing up to three-image multiplexing under white light illumination. By independently controlling absorption and interference effects, colors in reflection and transmission can be varied independently yielding two-image multiplexing under white light. Using anisotropy of plasmonic nanoparticles, a third image can be multiplexed and revealed through polarization changes. The design strategy, the fundamental properties, and the versatility of implementation of these laser-empowered random metasurfaces are discussed. The technique, applied on flexible substrate, can find applications in information encryption or functional switchable optical devices, and offers many advantages for visual security and anticounterfeiting.     

Colorful Metahologram with Independently Controlled Images in Transmission and Reflection Spaces

Benefiting from the excellent properties of manipulating electromagnetic waves at subwavelength scale, metasurfaces are widely used to realize metaholograms with a large viewing angle or diffraction angle. However, all previously reported holograms just utilize transmission (or reflection) space while the corresponding reflection (or transmission) space is abandoned. In this paper, combining the off‐axis illumination method and polarization dependence of geometric‐phase‐based metasurfaces, a scheme is proposed to realize colorful metaholograms with independently controlled holographic images in both the transmission and reflection spaces. With this method, the usable data capacity and imaging region are greatly expanded. As far as it is known, it is the first time that independently controlled color holographic images in both the transmission and reflection spaces using metasurfaces is demonstrated. This approach has promising applications in real 360° holographic image, multifunctional optical device, multicolor display, etc.     

电磁超表面与信息超表面

电磁超材料和超表面是物理、信息与材料领域的热点与前沿,带来了许多新奇的物理现象和突破性的应用. 信息超表面作为近些年来新兴的研究方向,通过数字编码的方式来调控电磁波,构建了由物理世界通往数字世界的桥梁. 本文首先全面总结了电磁超材料与超表面的起源与发展历程;其次重点介绍了可调超表面与可重构超表面、时空调制超表面与器件的发展现状;接着系统介绍了数字编码与可编程信息超表面的基本概念和主要应用,讨论了信息超表面存在的挑战与未来展望;最后简要对电磁超表面和信息超表面的发展趋势进行了总结.     

Code Division Multiplexing Inspired Dynamic Metasurface Holography

Metasurface holography is attracting increasing attention owing to its numerous advantages over conventional holography techniques, such as precise control of phase profiles, compact sizes, and multiple information channels via a single optical element. Metasurfaces provide a flexible platform for incorporating various multiplexing techniques. Inspired by code division multiplexing (CDM), which is widely employed in networking and wireless digital communications, metasurface holography for generating dynamic holographic images controlled by both the patterned beam profiles and polarization states is designed and realized in this study. Specifically, two orthogonal polarization states and 16 code bases of light illumination are combined to generate 32 independent channels. Only the correct code reference can decode the target image for a specific channel, providing encryption for information transportation. Meanwhile, the demonstrated metasurface holography with CDM can realize active modulation via a digital micromirror device. The proposed metasurface can be utilized to achieve dynamic information display, data storage, optical encryption, and other applications in optics.     

Full‐State Synthesis of Electromagnetic Fields using High Efficiency Phase‐Only Metasurfaces

A metasurface is a thin array of subwavelength elements with designable scattering responses, and metasurface holography is a powerful tool for imaging and field control. The existing metasurface holograms are classified into two types: one is based on phase‐only metasurfaces (including the recently presented vectorial metasurface holography), which has high power efficiency but cannot control the phases of generated fields; while the other is based on phase‐amplitude‐modulated metasurfaces, which can control both field amplitudes and phases in the region of interest (ROI) but has very low efficiency. Here, for the first time, it is proposed to synthesize the field amplitudes and phases in ROI simultaneously and independently by using high‐efficiency phase‐only metasurfaces. All points in ROI may have independent values of field amplitudes and phases, and the requirements for X and Y components may be different in achieving spatially varied polarization states. To this end, an efficient design method based on equivalent electromagnetic model and gradient‐based nonlinear optimization is proposed. Full‐wave simulations and experimental results demonstrate that the phase‐only metasurface designed by the method has 10 times higher efficiency than the phase‐amplitude‐modulated metasurface. This work opens a way to realize more complicated and high‐efficiency metasurface holography.