付 嬈，李子樂，鄭國興

（武漢大學電子信息學院，湖北武漢 430072）

1 引 言

近年來，超構表面材料（Metasurfaces），一種通過在普通光學材料表面刻畫出亞波長結構陣列的二維人工復合材料，在精密調(diào)控光波電磁場方面表現(xiàn)出前所未有的能力。在超構表面研究中，各向異性和各向同性納米結構的超構表面均占據(jù)較大比例。通過選擇合適的材料，合理設計超構表面單元結構的形狀構造及尺寸參數(shù)，可以靈活地調(diào)整納米結構的各向同/異性，優(yōu)化出可以調(diào)控各種光學參量的納米結構。例如，利用各向異性的納米結構，可實現(xiàn)納米尺度的線偏振器[1-8]、四分之一波片[9-10]及半波片[11-17]等偏振器件；再結合納米結構的方向角、位移量等設計自由度，可以實現(xiàn)納米尺度的振幅、相位、偏振、頻率和光譜調(diào)控。

超構表面材料超強的光波操控能力、超緊湊結構、多功能性和與半導體工藝兼容等突出優(yōu)點使得其在器件小型化和多功能集成方面具有很大的應用價值，具有廣闊的發(fā)展前景。在此基礎上，科學家們提出了許多具有獨特功能的新型超構表面光學元件，如消色差透鏡[18-23]、變焦透鏡[17,24-26]、彩色全息[27-30]、渦旋光束產(chǎn)生器[31-33]、分子光譜測量[34-35]、斯托克斯參量偏振相機[36]等，極大地增強了超構表面在許多領域的研究和應用。得益于現(xiàn)代納米制造技術的發(fā)展，光學超構表面在成像、傳感、通信等多個領域正逐步走向實際應用，以適應光學器件日益微型化和集成化的發(fā)展趨勢。

振幅是光波電磁場的基本參量之一，在微納尺度上對入射光波的振幅進行任意操控具有重要的科學價值和實際意義。超構表面對光場振幅的調(diào)控機理主要分為兩種：第一種是通過改變超構表面納米結構的尺寸來實現(xiàn)多臺階的振幅調(diào)控；第二種則是通過排布各向異性納米結構的方向角實現(xiàn)連續(xù)的振幅調(diào)控。本文將主要介紹基于超構表面實現(xiàn)振幅調(diào)控的原理和特點，回顧了近年來振幅型超構表面器件在高分辨率圖像顯示、高密度信息存儲、信息加密、信息復用、光束整形、光信息處理和安全防偽等領域中的應用。

2 改變納米結構的尺寸實現(xiàn)振幅調(diào)控

2.1 二元振幅型超構表面器件

振幅型超構表面器件指對振幅這一光參量具有調(diào)制作用的器件。傳統(tǒng)光學中通過控制光學介質的局部透射或反射系數(shù)來實現(xiàn)振幅調(diào)控；同樣地，通過局部調(diào)控超構表面材料的反射或透射特性，也可以實現(xiàn)振幅調(diào)控。最簡單的是二進制幅度調(diào)控，即實現(xiàn)兩個反射值或者兩個透射值的振幅調(diào)控，這種可以實現(xiàn)二進制調(diào)幅的器件稱為“二元（二臺階）振幅型光學器件”，可以應用于全息成像[37-43]。2012年，Haider Butt 等人利用多壁碳納米管（MultiWalled Carbon NanoTubes，MWCNTs）結構優(yōu)異的可控散射特性，實現(xiàn)了二元振幅型全息[37]，如圖1(a)所示。全息片單元像素的尺寸為亞波長量級，所產(chǎn)生的衍射圖像具有高達±50°的大視場角和高分辨率。此外，Kun Huang等人[38]通過實驗證明了利用非周期性光子篩可以精確操縱光波，實現(xiàn)均勻、無孿生像和高衍射效率的全息，如圖1(b)所示。他們根據(jù)單個亞波長納米孔的衍射，采用遺傳算法，成功地優(yōu)化了偏振無關二元振幅型全息的性能，實現(xiàn)了衍射效率高達46%的全息。

由于超構表面的單元結構在亞波長量級，因此可以逐點調(diào)控電磁波的振幅。通過改進振幅型超構表面全息的設計算法，可以充分利用超構表面逐點設計這一靈活調(diào)控特性。2019年，Zhentao Xu 等人提出一種改進的Gerchberg-Saxton（GS）算法，通過迭代優(yōu)化，可以獲得兩個由0和1組成的二元振幅分布，將其中一個振幅分布中為0（無孔）的一部分切換到1（有孔），可以得到另一個振幅分布。這種定量相關性可以理解為一種集合關系，即前者為后者的子集，通過增加/減少振幅為1或0 的像素，可以產(chǎn)生兩幅具有定量相關性的二元振幅型全息圖像[39]。以光子篩為調(diào)幅器件，如圖1(c)所示，Sample A 的振幅分布為Sample B的振幅分布的子集，即在Sample A 的基礎上增加了振幅為1的像素，可以看出二者投射出不同的全息圖像?；诠庾雍Y的二元振幅型器件對入射光的偏振態(tài)和波長均不敏感，因此不同偏振態(tài)和不同波長的光波只能再現(xiàn)出同一幅全息圖像。如果將納米結構的波長選擇性與振幅調(diào)控相結合，可以實現(xiàn)多幅全息圖像的記錄和再現(xiàn)，提高了振幅型全息片的信息密度。2011 年，Benny Walther等人通過改變金屬薄膜上的納米孔的微觀尺寸來調(diào)整透射系數(shù)[40]，在兩個波長下分別再現(xiàn)了兩幅不同的全息圖像，如圖1(d)所示[41]。類似地，2014年，Yunuen Montelongo等人利用等離子體納米粒子的波長選擇性，實現(xiàn)了兩幅全息圖像的復用[42]。除此之外，他們還將納米結構的偏振選擇性和振幅調(diào)控相結合，如圖1(e)所示，針對正交線偏振光設計了兩種納米天線，將兩種納米天線正交排列構成一個全息片像素，通過改變?nèi)肷涔獾钠駪B(tài)，像素被局部“打開”或“關閉”，從而可以得到兩種不同的振幅分布，實現(xiàn)偏振復用的二元振幅型全息[43]。

圖1 二元振幅型超構表面器件。(a)基于碳納米管[37]、(b)基于隨機圖案光子篩[38]和(c)基于光子篩的定量相關全息片[39]；(d)波長復用[41]和(e)偏振復用的全息片[43]Fig.1 Binary amplitude-only metasurface-based devices.(a)MWCNT-based meta-holograms[37];(b)meta-holograms based on random photon sieves[38];(c)quantitatively correlated meta-holograms based on photon sieves[39];(d)wavelength multiplexed[41]and (e) polarization multiplexed meta-holograms[43].

2.2 多臺階振幅型超構表面器件

二元振幅型器件的振幅調(diào)控能力有限，難以實現(xiàn)精細的振幅調(diào)控，因此需要提高振幅調(diào)控的臺階數(shù)。目前，科學家已陸續(xù)設計了V 型[44]、C型[45-47]、I型[48]、長方形[49-51]、十字型[52]等多種納米結構來實現(xiàn)多臺階的振幅調(diào)控，如圖2(a)～2(c)所示。通過改變納米結構的尺寸，理論上可以實現(xiàn)連續(xù)的振幅調(diào)控，但由于加工精度的限制，一般只能實現(xiàn)臺階化的振幅調(diào)控。如果同時結合納米結構的方向角進行幾何相位調(diào)制，可以實現(xiàn)復振幅調(diào)制。2018年，Xu Song 等人基于圖2(c)所示的納米結構設計了一種復振幅光柵[49]，可以選擇性地將入射光束分成若干束光并將其衍射到特定級次，同時抑制其他級次的產(chǎn)生。2019年，Adam C.Overvig等人通過改變納米結構的尺寸實現(xiàn)了多臺階振幅調(diào)控，用于顯示近場納米印刷圖像，在振幅分布確定的情況下，改變納米結構的方向角實現(xiàn)了連續(xù)的相位調(diào)制，在遠場顯示了一幅復振幅全息圖像[50]。

除此之外，傳統(tǒng)光學中還存在另一種可以實現(xiàn)多臺階調(diào)幅的方式——迂回相位編碼。迂回相位編碼中，通過改變單元像素中孔的大小可以實現(xiàn)多臺階的振幅調(diào)控，調(diào)節(jié)孔的位置可以實現(xiàn)相位調(diào)制。將這種編碼方式引入超構表面設計中，可以增加超構表面的設計自由度，使其光波調(diào)控能力更加強大，同時可以用于提高器件的信息密度。采取迂回相位編碼的器件通常對光的偏振態(tài)不敏感，如果將傳統(tǒng)的迂回相位編碼設計與超構表面的偏振選擇性相結合，可以獲得具有復振幅調(diào)控能力和偏振復用功能的迂回相位超構表面（detour phase metasurfaces）[53-55]，通過改變每個像素中狹縫的寬度[53-54]或數(shù)目[55]實現(xiàn)多臺階振幅調(diào)控，調(diào)整狹縫的位置實現(xiàn)連續(xù)的相位調(diào)控。2016年，Changjun Min 等人利用亞波長金屬狹縫的偏振選擇性，設計了具有偏振復用功能的迂回相位超構表面[54]，可以在遠場生成渦旋光和艾里光兩種矢量光束，改變?nèi)肷涔獾钠駪B(tài)即可實現(xiàn)光束模式的相互切換，如圖2(d)所示。除此之外，2017年，Zhenwei Xie 等人利用等離子體納米狹縫陣列設計了迂回相位超構表面全息片（detour phase meta-holograms），實現(xiàn)了1000 nm 帶寬（從可見光到紅外光范圍內(nèi)）的三維物體重建和偏振復用全息圖像顯示[55]，如圖2(e)所示。迂回相位超構表面具有對振幅、相位和偏振的高可控性、超緊湊尺寸和超寬帶響應特性，在大容量軌道角動量（Orbital Angular Momentum,OAM）光通信、光束整形、3D寬帶顯示等領域具有廣闊的應用前景。

圖2 改變納米結構的尺寸實現(xiàn)多臺階振幅調(diào)控。(a)V 型納米結構[44]；(b)C 型納米結構[45]；(c)長方形納米結構[49]。迂回相位超構表面：(d)改變縫的寬度[54]；(e)改變縫的個數(shù)[55]Fig.2 Multi-step amplitude modulation by varying the dimensions of nanostructures.(a)V-shaped[44];(b)C-shaped[45];(c) rectangle-shaped[49].Detour phase metasurfaces obtained by(d)varying the width of the slits[54]and(e) varying the number of slits[55].

3 改變納米結構的方向角實現(xiàn)振幅調(diào)控

除了納米結構的尺寸外，納米結構的方向角作為超構表面材料一個重要的設計自由度，已廣泛用于調(diào)控光波的相位、振幅和偏振等光參量。其中，由各向異性變轉角的納米結構單元構成的幾何相位超構表面（Geometric Metasurfaces,GEMSs）[11-13,16-17]在超構表面的研究歷程中具有里程碑式的意義。當圓偏振光（Circularly Polarized,CP）入射至GEMSs時，入射光波的相位調(diào)控量等于納米結構方向角的兩倍，旋轉納米結構的方向角可實現(xiàn)連續(xù)的相位調(diào)控。幾何相位超構表面可實現(xiàn)連續(xù)、任意、精密的相位調(diào)控，相位調(diào)控量僅與方向角有關，與光波頻率無關，設計靈活、魯棒性強，且在制造上僅需要簡單的二臺階微納光學工藝條件，因此近幾年被科學家廣泛研究應用。

3.1 雙天線超構表面

若增加幾何相位超構表面納米結構的設計自由度，將兩個相同的各向異性納米結構組成一個雙天線納米結構單元[56-60]，能夠同時調(diào)控入射光波的振幅、相位和偏振態(tài)，得到功能更豐富的超構表面光學器件。2017年，Gun-Yeal Lee等人提出了一種X 型雙天線超構表面[56]，如圖3(a)所示，該工作是對幾何相位超構表面的拓展。X 型雙天線納米結構對光波的調(diào)制作用可以看做是兩個各向異性納米結構作用的疊加，當入射光為圓偏振光時，出射的反向圓偏振光的電場可表示為：

其中，θ1和θ2分別是兩個納米磚的方向角，由式(1)可以看出，通過調(diào)節(jié)兩個各向異性納米磚的方向角可以實現(xiàn)對圓偏振光振幅和相位的連續(xù)調(diào)控，振幅由兩方向角之差確定，相位則由兩者之和決定。

類似地，由兩個相同但分離的各向異性納米磚構成的雙天線納米結構單元也可以同時操縱光的振幅和相位。2017年，Quan Xu 等人通過圖3(b)所示的雙天線納米結構調(diào)制光波的振幅和相位，實現(xiàn)了表面等離子體（Surface Plasmon, SP）全息[57]。

由式(2)和式(3)可知，出射圓偏振光和線偏振光的振幅均取決于兩方向角之差，線偏振光的相位完全由迂回相位π(p1+p2)/p0決定，偏振態(tài)由兩方向角之和決定。圓偏振光的相位由迂回相位和幾何相位共同決定。之后采用光柵結構設計，利用光柵的色散效應，將從同一角度入射的不同波長的入射光衍射到不同方向。通過對紅、綠、藍三基色光的全息圖加入合適的相移因子，便能在某一特定空間區(qū)域構建出全彩色復振幅矢量全息圖像。進一步地，Yanjun Bao等人分別設計了對紅、綠、藍光具有窄帶響應特性的雙天線納米結構，實現(xiàn)了全彩色的色度-飽和度-亮度（Hues-Saturation-Brightness,HSB）的任意調(diào)控[59]，如圖3(d)所示。

圖3 雙天線超構表面用于(a)復振幅調(diào)控[56]；(b)表面等離子體全息[57]；(c)矢量全息[58]；(d)全彩色HSB任意調(diào)控[59]Fig.3 Diatomic metasurfacesfor (a)complex-amplitude modulation[56];(b)surface plasmon holography[57];(c)vectorial holography[58];(d)full color control with arbitrary hue-saturation-brightness[59]

增加納米天線的個數(shù)，可以實現(xiàn)更復雜的振幅調(diào)控功能。例如，2020年，Qingbin Fan 等人提出了一種可以獨立調(diào)控任意一對正交偏振態(tài)（線偏振、圓偏振或橢圓偏振）振幅的超構表面[61]。該超構表面由四天線納米結構陣列構成，每個單元結構包含2×2個尺寸和方向角均可變的各向異性納米磚。通過引入幾何相位和傳輸相位調(diào)制，控制每個單元結構內(nèi)部偏振相關的干涉相消或相長，使光的偏振態(tài)與振幅調(diào)制建立聯(lián)系，進而實現(xiàn)對兩正交偏振光振幅的獨立調(diào)控。

3.2 馬呂斯超構表面

近幾年，科學家們受馬呂斯定律啟發(fā)，設想可以引入光波偏振態(tài)這一參數(shù)來間接調(diào)控光波的振幅。由馬呂斯定律（Malus Law）可知，強度為I0的線偏振光，透過檢偏器后，透射光的強度（不考慮吸收）為I=I0cos2θ，θ是入射線偏振光的光振動方向和線偏振器偏振化方向之間的夾角。對于任意各向異性納米結構，其瓊斯矩陣可以表示為：

由式(5)可知，通過改變納米結構的方向角α可以實現(xiàn)連續(xù)的偏振調(diào)控，如果在后面放置一個透光軸與x軸夾角為θ2的檢偏器，則最后的出射光可表示為：

由式(6)可知，改變納米結構的方向角α可以實現(xiàn)連續(xù)的振幅調(diào)控。

這種基于馬呂斯定律實現(xiàn)振幅調(diào)控的超構表面，簡稱“馬呂斯超構表面（Malus metasurfaces）”[1-8,12,15,62-77]，由于這種超構表面往往只需要使用單一幾何尺寸的納米結構，無需優(yōu)化多種尺寸的納米結構，因此大大降低了設計復雜度和加工難度，為在亞波長尺度上操縱光的振幅提供了一種非常簡便且巧妙的方法。更重要的是，入射光波的振幅調(diào)控只與納米結構的方向角有關，與納米結構的具體尺寸（只要是各向異性即可）和光波頻率無關，因此具有高魯棒性及寬帶特性。

3.2.1單功能馬呂斯超構表面器件

目前，馬呂斯超構表面在信息隱藏[62]、圖像顯示[1,63-66]、光學全息[5,67-68]、安全防偽[15,64]、信息加密[65]等應用領域發(fā)揮著獨特的優(yōu)勢。2018年，F(xiàn)uyong Yue等人設計了可等效為半波片的納米結構單元，將一幅具有256級連續(xù)灰度圖像編碼為隨空間變化的偏振態(tài)分布，記錄到單元像素大小為300 nm×300 nm 的馬呂斯超構表面上[62]，如圖4(a)所示。當線偏振光正入射到超構表面時，雖然光束偏振態(tài)發(fā)生變化，但呈現(xiàn)的反射光強度分布均勻，連續(xù)灰度圖像隱藏在具有空間變化偏振態(tài)的矢量激光束中。只有在反射光路中加入線性檢偏器，才可以解碼顯示出隱藏在反射光中的高分辨率連續(xù)灰度圖像。2019年，Qi Dai等人利用電介質納米磚中發(fā)生的磁共振效應設計了納米偏振器（nano-polarizers）結構，根據(jù)馬呂斯定律，將一幅連續(xù)灰度圖像編碼為超構表面的方向角分布，實現(xiàn)了分辨率高達84,667 dpi（每英寸點數(shù)）的灰度圖像顯示[1]，如圖4(b)所示。

值得注意的是，馬呂斯超構表面不僅可以實現(xiàn)亞波長量級連續(xù)精密的振幅調(diào)控，還可以實現(xiàn)正或負的振幅調(diào)控，而且振幅調(diào)控與波長無關，這種特性是傳統(tǒng)的振幅型光學器件（透射率非負）所不具備的，通過巧妙設計馬呂斯超構表面的方向角排布，可以在寬波帶范圍內(nèi)消除傳統(tǒng)振幅型器件不可避免的零級光。Rao Fu 等人利用馬呂斯超構表面獨特的正負振幅調(diào)制特性，消除了振幅型全息中的零級干擾光，再現(xiàn)了高質量的同軸2D全息圖像[5]，如圖4(c)所示。進一步地，通過計算機模擬物光波和參考光波的干涉記錄過程，將三維物體的復振幅信息轉化為干涉條紋的強度信息，并記錄到基于馬呂斯超構表面的振幅型器件上，實現(xiàn)了同軸3D全息[6]。除了全息外，Xin Shan等人還設計了基于馬呂斯超構表面的振幅型叉型光柵，用于產(chǎn)生渦旋光束[7]。

除此之外，馬呂斯超構表面的偏振控制為安全防偽提供了新的方法。如圖4(d)所示，2019年，Chunmei Zhang等人利用馬呂斯超構表面將防偽圖像嵌入到一幅全息圖像中，只有使用檢偏器才能解碼出非均勻偏振分布光束中的防偽圖像[64]。馬呂斯超構表面還可以擴展到非線性光學領域。2019年，Yutao Tang 等人利用馬呂斯超構表面實現(xiàn)了非線性光學信息加密[65]。超構表面由三重旋轉對稱（threefold rotational symmetry）的金納米結構單元構成，利用其非線性效應，入射的基波（Fundamental Wave, FW）被調(diào)制為二次諧波（Second Harmonic Generation,SHG），改變納米結構的方向角可以局域化地操縱SHG 波的偏振態(tài)。只有插入一個檢偏器，才能將SHG 的矢量偏振分布變?yōu)閺姸确植?，顯示出加密的光學圖像，如圖4(e)所示。

圖像作為人類感知世界的視覺基礎，是人類獲取信息、表達信息和傳遞信息的重要手段，人眼感知或相機記錄的光學圖像通常具有隨空間變化而變化的強度分布或顏色分布，圖像通常需要借助于顯示器、打印機、繪圖儀、膠片記錄儀等圖像輸出設備顯示。傳統(tǒng)圖像顯示器件像元尺寸較大，導致圖像分辨率低，難以顯示更為精細的圖像信息，而且工藝復雜，體積大。馬呂斯超構表面的精密調(diào)控能力為無縫混色和高分辨率的彩色圖像顯示提供一個有廣闊應用前景的平臺。2018年，Xiaofei Zang 等人提出將馬呂斯超構表面和納米結構的波長選擇性相結合，將顏色和強度信息同時編碼為具有空間變化偏振態(tài)分布[14]，如圖4(f)所示，通過單層電介質超構表面實現(xiàn)了亞波長像素級別的彩色圖像顯示。2020年，Pengcheng Huo等人利用低損耗的電介質馬呂斯超構表面，展示了一幅色彩逼真、立體感強、具有油畫質感的藝術作品《戴珍珠耳環(huán)的女孩》[66]，如圖4(g)所示。超構表面由周期性排列的多胞元（supercell）構成，每個多胞元包含3種尺寸不同，分別對紅、綠、藍光具有窄帶波長響應的各向異性的納米柱組成，這3種納米柱的方向角決定了R、G、B 3種顏色的混色比例，可以實現(xiàn)全彩色任意色度、飽和度和亮度調(diào)制。

圖4 馬呂斯超構表面的應用。(a)信息隱藏[62]；(b)高分辨率灰度圖像顯示[1]；(c)消零級振幅型全息[5]；(d)安全防偽[64]；(e)信息加密[65]；(f)彩色圖像顯示[14]；(g)全彩色圖像顯示[66]Fig.4 Applications of Malus metasurfaces.(a)Information hiding[62];(b)high-resolution grayscale image display[1];(c)zeroorder-free amplitude-only holography[5];(d)security and anti-counterfeiting[64];(e)information encryption[65];(f)color image displays[14];(g)full color image displays[66]

馬呂斯超構表面結構簡單、超緊湊，可以克服光學系統(tǒng)復雜、像素尺寸大等缺點，可生成具有更高空間分辨率的光學圖像，大大提高了圖像質量、數(shù)據(jù)存儲密度和器件緊湊度。因此，超構表面材料在高密度光信息存儲、高端防偽、信息加密等領域具有廣闊的應用前景。

3.2.2復用型馬呂斯超構表面器件

近幾年來，隨著應用層次的不斷深入，對信息容量的需求日益增長，信息復用成為了超構表面領域新的研究熱點。多路信息復用技術能夠更大效率的利用現(xiàn)有硬件設施，在不增加成本的前提下盡可能地提高信息容量，借助于波長復用[41]、空間頻率復用[4]和偏振復用[2-3,69-77]等方式，可以將不同的信息記錄到同一個超構表面器件上，增加器件的信息容量，還可以實現(xiàn)多通道的獨立信息操控。

通過對各向異性納米結構尺寸進行優(yōu)化，可以對不同偏振態(tài)的光波進行獨立調(diào)控，超構表面的這種設計自由度被廣泛應用于偏振信息復用[2-3,69-77]。2013年，Lei Wang等人設計了一種可等效為納米偏振器的等離子體納米孔結構，利用其偏振相關性，實現(xiàn)了偏振復用的二值圖像、灰度圖像和動態(tài)圖像顯示[69]。2019年，Jinying Guo等人將偏振復用和馬呂斯超構表面結合，實現(xiàn)了兩幅二值圖像的獨立顯示[70]。Yang Chen 等人提出了一種由兩種階梯式V 型納米孔手性對映體結構組成的手性馬呂斯超構表面，實現(xiàn)了正交偏振復用的灰度圖像顯示[71]，如圖5(a)所示。兩種手性對映體結構對右旋圓偏振光（Right-Handed Circularly Polarized,RCP）和左旋圓偏振光（Left-Handed Circularly Polarized,LCP）具有不同的透過率，將這兩種結構在空間上以圖像像素的形式交錯排列在同一個超構表面上，通過改變?nèi)肷鋱A偏振光的旋向，像素被局部地“打開”或“關閉”，透射光被調(diào)制為兩種不同的隨空間變化的偏振態(tài)分布，經(jīng)過檢偏器后被轉換成兩種不同的強度分布，顯示出兩幅完全不同的高分辨率連續(xù)灰度圖像。這種具有亞波長空間分辨率和高數(shù)據(jù)密度的手性灰度成像方法為圖像顯示、信息加密、高密度信息存儲和光學信息處理等領域的應用提供了一種通用的設計方法。兩種非正交的偏振態(tài)也可用于信息復用，2019年，Yang Chen 等人提出了一種由三維等離子體螺旋納米孔構成的馬呂斯超構表面，實現(xiàn)了非正交偏振復用的圖像顯示[72]，如圖5(b)所示。正向入射圓偏振光顯示出一幅二值圖像，反向入射線偏振光則顯示一幅連續(xù)灰度圖像。

圖5 復用型馬呂斯超構表面。(a)正交偏振復用[71]；(b)非正交偏振復用[72]；(c-f)基于轉角簡并性的偏振復用[73,75-77]Fig.5 Multiplexing Malus metasurfaces.(a)Orthogonal-polarization multiplexing[71];(b)nonorthogonal-polarization multiplexing[72];(c-f) polarization multiplexing based on orientation degeneracy[73,75-77]

對于馬呂斯超構表面來說，除了偏振相關性之外，馬呂斯定律中還存在一個光強對應多個方向角的有趣現(xiàn)象，稱之為轉角簡并性（Orientation Degeneracy,OD）?；诖嗽恚茖W家們利用單一尺寸的納米結構設計出多通道超構表面，在不增加制造難度的情況下進一步提高超構表面器件的信息存儲密度[73-77]。2020年，Juan Deng 等人利用轉角簡并性，通過馬呂斯超構表面實現(xiàn)了雙通道信息防偽[73]，如圖5(c)所示。該超構表面由尺寸相同僅方向角不同的納米磚陣列組成，在不增加納米結構設計和制造負擔的情況下，通過偏振控制實現(xiàn)了連續(xù)灰度圖像與完全/部分獨立、相關或水印防偽模式的切換。超構表面防偽具有超致密性、強隱蔽性等優(yōu)點，該工作為超構表面用于高端光學防偽及其他相關領域的深入研究和應用提供了基礎。

進一步研究發(fā)現(xiàn)，馬呂斯超構表面的振幅調(diào)控和幾何相位超構表面的相位調(diào)控均來源于對各向異性納米結構的方向角調(diào)控。馬呂斯定律中蘊含的轉角簡并性為超構表面信息復用提供了一種嶄新的設計自由度，能在實現(xiàn)振幅調(diào)控的前提下賦予超構表面額外的幾何相位設計自由度。2020年，Liangui Deng 等人利用由一種尺寸的納米結構構成的馬呂斯超構表面，同時實現(xiàn)了對線偏振光的振幅調(diào)控和對圓偏振光的相位調(diào)控，實現(xiàn)了近場圖像顯示和遠場全息兩種功能的復用[75]。當線偏振光入射時，在超構表面產(chǎn)生連續(xù)灰度圖像，入射光切換至圓偏振光時，在遠場產(chǎn)生二臺階或四臺階的相位型全息，如圖5(d)所示。該設計中，近場的納米印刷圖像與遠場全息圖像彼此獨立，不存在任何串擾。馬呂斯定律轉角簡并性將納米結構蘊含的設計自由度進行了更為充分的利用，為超構表面功能復用提供了一種簡單、高效、高信息密度、無串擾的技術方案，在高密度光存儲、信息隱藏等領域具有廣闊的應用前景。

進一步地，Zile Li等人將馬呂斯超構表面與傳輸相位相結合，通過一個超構表面實現(xiàn)了一個通道的納米印刷圖像顯示和兩個通道的全息圖像顯示[76]。超構表面的每一個納米結構單元都包含了3個通道信息，需要通過3種不同的方式來解碼各通道中存儲的信息。線偏振光入射時，將超構表面放置于正交光路（起偏器和檢偏器的透光軸方向相互垂直）中，可以顯示出近場的納米印刷圖像；左旋和右旋圓偏振光分別入射至超構表面時可以在遠場得到兩幅完全不同的全息圖像，如圖5(e)所示，而且各通道信息相互獨立，互不干擾。而Qi Dai 等人將納米結構的波長選擇性與馬呂斯超構表面相結合，設計了兩種尺寸不同的納米結構，實現(xiàn)了對光譜、振幅、相位這3個光參量的獨立調(diào)控[77]，如圖5(f)所示。將結構色圖像顯示、連續(xù)灰度圖像顯示以及全息圖像顯示3種功能集成到一個超構表面上。該工作所提出的高集成度、高信息密度的多功能超構表面設計方法，在信息加密、高密度圖像存儲顯示、光學防偽等相關領域具有廣闊的應用前景。

由于超構表面在精密靈活操控電磁波方面具有非凡的優(yōu)勢，其結構特征尺寸低至納米量級，周期特征尺寸則低至亞波長量級，可以極大縮小光學系統(tǒng)的體積，同時降低系統(tǒng)的重量和功耗。本文回顧了近年來光學科研工作者們在振幅調(diào)控超構表面及其相關功能性器件的研究進展。通過綜合分析上述文獻，對各種振幅型超構表面的振幅調(diào)控方式、特點等進行了總結歸納和對比，如表1所示。

表1 不同類型的振幅型超構表面的振幅調(diào)控方式及特點對比Tab.1 Comparison of the amplitude control methods and characteristics of different types of amplitude-modulated metasurfaces

4 總結與展望

二元振幅型超構表面加工簡單，可用于全息成像，但由于其只能實現(xiàn)二臺階振幅調(diào)制，應用比較受限。多臺階振幅型超構表面可以通過改變納米結構尺寸實現(xiàn)多臺階振幅調(diào)制，可用于灰度納米印刷圖像顯示，結合方向角這一自由度可實現(xiàn)復振幅調(diào)制，用于設計光柵、全息片等，但由于需要不同尺寸的納米結構，其制造相對復雜。雙天線超構表面可實現(xiàn)連續(xù)的振幅和相位調(diào)制、偏振態(tài)調(diào)控，可用于連續(xù)灰度/全彩色納米印刷圖像顯示、矢量全息、復振幅全息、納米印刷及全息圖像融合顯示。馬呂斯超構表面不僅加工簡單，而且可以連續(xù)調(diào)制光波振幅，非常適用于顯示具有豐富灰度信息的納米印刷圖像和振幅型全息，其所具有的正負振幅調(diào)制特性可以用于消除全息中常見的零級光；同時，馬呂斯超構表面的轉角簡并性為信息復用、功能集成開辟了一條新的途徑。

整體而言，由于振幅型超構表面器件的振幅分布并不是均一的，所以振幅調(diào)控本身就會損失一部分光波能量，因此振幅型超構表面的效率無法像相位型超構表面（振幅為1）那樣高。雖然振幅型器件存在能量利用率低的問題，但隨著大面積超構表面加工工藝技術的逐步完善，通過增加超構表面面積可有效緩解能量利用率低所帶來的應用缺陷。除此之外，超構表面在動態(tài)調(diào)控上還不盡人意，盡管通過偏振或者化學的方法可以實現(xiàn)一些動態(tài)切換，但是仍無法實時對振幅分布進行任意調(diào)控。

雖然存在以上問題需要解決，但是振幅型超構表面可以實現(xiàn)寬波帶消除全息圖像的零級光，同時也非常適用于納米印刷這一獨特的應用場景，還可以有效地與相位、偏振、光譜等參量的調(diào)控相結合，因此有望誕生諸多新型的光波調(diào)控器件，在高分辨率多通道圖像顯示、光學防偽、光學信息加密、高密度信息存儲、多功能成像等方面展現(xiàn)出巨大潛力。