許 可，王星兒，范旭浩，劉耘呈，余 軒，高 輝,2*，熊 偉,2*

1 華中科技大學(xué)武漢光電國家研究中心，湖北 武漢 430074；2 湖北光谷實驗室，湖北 武漢 430074

1 引 言

視覺是人和動物最重要的感覺，80%以上的外界信息需通過視覺獲得，包括視野范圍內(nèi)物體的輪廓、形狀、遠(yuǎn)近、表面細(xì)節(jié)、顏色等，由此我們可以在殘酷的自然環(huán)境下生存進(jìn)化，甚至逐漸發(fā)展出對“美”的理解、創(chuàng)造和追求。600 萬年的人類進(jìn)化舞臺被設(shè)定在一個三維空間內(nèi)，因此包含著多種生理學(xué)、心理學(xué)深度線索的三維場景顯示能夠最大程度上調(diào)動人的感知和運算潛能，從而帶給人更為真實的體驗。然而傳統(tǒng)光學(xué)成像系統(tǒng)中的光探測器只能對光的強度信息進(jìn)行離散采樣，即使在后處理中利用先進(jìn)的數(shù)字圖像處理技術(shù)，由于丟失了相位信息，也無法從根本上挖掘深度線索，因此不能夠完全重建出真實場景中的三維立體多視角圖像。

近年來，隨著“元宇宙”概念的提出，產(chǎn)業(yè)界迫切需要一種能夠重構(gòu)真實世界景物的三維顯示技術(shù)來構(gòu)建起“真實”和“虛擬”世界間的橋梁。在眾多三維顯示技術(shù)中，全息術(shù)(Holography)基于光波的干涉(波前記錄)和衍射(波前重建)原理發(fā)展而來，可以重建整個光波的波前以提供三維場景深度線索。相較于雙目視覺顯示等其他三維實現(xiàn)方法，全息術(shù)能夠提供人眼所需的所有深度感，包括雙目視差、調(diào)焦、移動視差、遮擋等[1]，是一種備受關(guān)注的理想裸眼三維顯示技術(shù)。

隨著對計算機技術(shù)和光傳輸理論研究的不斷深入，利用計算機算法來代替?zhèn)鹘y(tǒng)光學(xué)全息中的波前記錄過程，既避免了搭建復(fù)雜干涉記錄光路又能夠通過光波的數(shù)學(xué)描述重建出虛擬物體，由此誕生的計算全息(computer-generated holography，CGH)[2-3]技術(shù)已被廣泛用于光束操縱[4]、空間濾波[5]、三維顯示[6]以及光學(xué)元件檢測[7]等領(lǐng)域。在CGH 技術(shù)中，光場調(diào)控器件替代了傳統(tǒng)全息干板對入射光場進(jìn)行調(diào)制，目前常用的光場調(diào)控器件主要為純振幅調(diào)制型，如數(shù)字微鏡陣列(digital micro-mirror device，DMD)，或純相位調(diào)制型，如部分的空間光調(diào)制器(spatial light modulator，SLM)。受調(diào)制原理限制，兩者不能加載理想的復(fù)振幅全息光場信息，導(dǎo)致信息部分丟失、波前計算復(fù)雜。同時，這兩種器件的單元結(jié)構(gòu)尺寸往往是可見光波長的十倍以上。大像素尺寸和弱調(diào)制能力帶來了許多缺點，如視場狹窄、孿生像、帶寬窄和多級次衍射等，大大限制了計算全息術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展。

2011 年，Capasso 課題組提出廣義斯涅爾定律，自此超表面作為一種新興的光場調(diào)控器件逐漸進(jìn)入大眾視野。通過單元結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計和合理排列，這種新型器件能夠同時控制光的振幅[8]、相位[9]、偏振[10]和色散[11]等光參量，提供了一種強大的光場調(diào)控方式。得益于前人對微納制造技術(shù)和材料領(lǐng)域的探索，由亞波長量級單元結(jié)構(gòu)構(gòu)成的超表面[12]理論上能夠提供接近90°的衍射角，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的主動式光場調(diào)控器件。小像素尺寸和強光場調(diào)控能力使超表面在超透鏡[13]、分光器件[14]和偏轉(zhuǎn)器件[15]等的設(shè)計和實現(xiàn)上展露鋒芒。利用超表面作為全息圖加載的媒介契合了全息技術(shù)對高精度復(fù)雜光場調(diào)控的需求[16-17]，表現(xiàn)出高設(shè)計自由度、高空間分辨率、低噪聲、寬帶等優(yōu)點[18]，為CGH 技術(shù)目前所面臨的部分問題提供了一條解決之道。

經(jīng)過十余年的探索，超表面全息技術(shù)已得到長足發(fā)展，期間經(jīng)歷了調(diào)制方式的改進(jìn)、高性能指標(biāo)的追求、動態(tài)顯示方案的探索等階段，正向著真三維全息顯示的終極目標(biāo)穩(wěn)步前進(jìn)。本文從設(shè)計流程、調(diào)制方式、動態(tài)實現(xiàn)和制造技術(shù)四個方面全方位介紹回顧了該領(lǐng)域的發(fā)展?fàn)顩r，闡述了將超表面全息的概念落地于實際應(yīng)用的設(shè)計制造全流程步驟，并思考了超表面全息未來發(fā)展的方向。首先，梳理了超表面全息器件設(shè)計的基本流程；進(jìn)一步地，基于超表面對入射光的作用機制分類介紹了靜態(tài)超表面全息的基本概念和發(fā)展；隨后，詳細(xì)介紹了多路復(fù)用超表面全息器件和主動式超表面全息器件這兩類實現(xiàn)動態(tài)全息顯示的方式；最后，討論了制備超表面的微納加工工藝?？傊?，本文全面地介紹了超表面從設(shè)計到制造的流程，并提出了目前超表面全息技術(shù)發(fā)展所面臨的問題和可能的解決方法。

2 超表面全息器件的基本設(shè)計流程

超表面作為一種光場調(diào)控器件應(yīng)用于全息顯示中，其設(shè)計過程與傳統(tǒng)的光場調(diào)控器件類似，但也有其獨特之處。傳統(tǒng)的計算全息一般分為波前計算、波前編碼和波前重建三步。以較為普遍的離散化靜態(tài)超表面全息器件設(shè)計為例，首先計算出全息面的波前分布，然后通過單元結(jié)構(gòu)的設(shè)計和排列將波前分布加載在超表面器件上，最后利用微納加工方法制造。簡要的設(shè)計流程如圖1(a)所示。

圖1 基于超表面的計算全息器件設(shè)計流程。(a) 簡要的超表面全息器件設(shè)計過程；(b) 以幾何相位調(diào)控超表面為例的全息器件設(shè)計過程Fig.1 Design strategies for CGH devices based on metasurface.(a) Brief design strategy of meta-holographic devices;(b) Design process of holographic devices using metasurface based on geometric phase as an example

計算全息圖的波前計算過程基于光傳播的數(shù)學(xué)表達(dá)實現(xiàn)，在設(shè)計器件前，首先要明確波前信息的編碼方式，即選擇全息圖平面上合適的離散化復(fù)數(shù)光場表達(dá)，這與器件的光場調(diào)制原理有關(guān)。傳統(tǒng)的全息器件一般只能依據(jù)器件的調(diào)制原理，加載通過迭代算法(如Gerchberg Saxton 算法[19-20])或搜索算法(如遺傳算法[21-22])得到的純相位調(diào)制圖(相息圖)或純振幅調(diào)制圖。一些優(yōu)化的相息圖算法目的是尋找合適的全息面相位分布，在全息面振幅受限的情況下，使全息像與目標(biāo)像之間的差別最小。為此，一般需要特殊的初始像面相位設(shè)計以及優(yōu)化的迭代算法，可移植性較差[23]。而搜索算法則存在計算時間長的問題。近年來，機器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)算法[24-25]的興起有望實現(xiàn)快速、高重建圖像質(zhì)量的全息圖計算。隨著算法的普及和計算設(shè)備的發(fā)展，該方法將會成為未來波前計算的一種常用方式。以上算法的復(fù)雜優(yōu)化過程都是為了彌補器件調(diào)制原理的缺陷而產(chǎn)生，但超表面不僅可以加載純相位和純振幅信息，還可以直接加載復(fù)振幅光場調(diào)制信息，不需要復(fù)雜的波前計算就可以實現(xiàn)高質(zhì)量的全息圖重建[26]。因此在波前編碼方式的選擇上，超表面憑借純相位、純振幅或復(fù)振幅的多種全息信息編碼方式，展現(xiàn)了遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)器件的靈活多樣性。

不同于傳統(tǒng)全息器件，超表面單元結(jié)構(gòu)具有高設(shè)計自由度，其結(jié)構(gòu)參數(shù)(如厚度、形狀、長寬等)變化會導(dǎo)致光場調(diào)制量變化，因此可以根據(jù)所選的波前編碼方式選擇合適的單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行波前調(diào)控。目前對于純相位調(diào)控的研究較為廣泛，對諧振相位型超表面、幾何相位型超表面、惠更斯原理型超表面、傳輸相位型超表面和電路原理型超表面都建立了相應(yīng)的模型和理論[27]。在結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面，需要建立一個可以覆蓋調(diào)制光場響應(yīng)需求范圍的單元結(jié)構(gòu)庫，一般通過電磁場仿真軟件中的參數(shù)掃描方法來實現(xiàn)。拓?fù)鋬?yōu)化等智能算法也被用于結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，可以提供更大的設(shè)計自由度、更好的優(yōu)化結(jié)果并減少參數(shù)掃描的時間成本[28-29]。

將離散全息面波前信息和單元結(jié)構(gòu)庫結(jié)合起來，如同填色游戲般在對應(yīng)的波前調(diào)制量的位置擺放合適的單元結(jié)構(gòu)，最終得到微納加工所需要的版圖信息并通過選擇合適的加工方式實現(xiàn)器件實體化。值得一提的是，雖然一般的離散全息光場是通過均勻采樣函數(shù)產(chǎn)生的，但是非均勻采樣即非周期單元結(jié)構(gòu)和波前優(yōu)化設(shè)計方法的出現(xiàn)，將會提供更多的設(shè)計自由度以實現(xiàn)更加復(fù)雜的功能[15]。

以下舉例說明一般的離散化超表面全息器件的設(shè)計過程，如圖1(b)所示。

第一步：選擇合適的單元結(jié)構(gòu)。如圖1(b)步驟1所示，以適用于幾何相位調(diào)控的各向異性單元結(jié)構(gòu)為例，幾何相位又被稱為Pancharatnam Berry 相位(PB相位)。當(dāng)圓偏振光入射時，一部分光將轉(zhuǎn)換為其正交偏振狀態(tài)并攜帶二倍于取向角的附加相位，因此可以通過改變單元結(jié)構(gòu)的取向角實現(xiàn)相位調(diào)制。納米磚是一種常用的幾何相位調(diào)制結(jié)構(gòu)，通過改變幾何尺寸來求解其電磁學(xué)響應(yīng)特性，通常選擇具有最高偏振轉(zhuǎn)換效率的單元結(jié)構(gòu)作為基本設(shè)計單元。

第二步：計算全息面相位分布。如圖1(b)步驟2所示，利用計算機模擬衍射過程，①將目標(biāo)圖像附加隨機相位作為初始狀態(tài)，逆向傳輸?shù)饺⒚娴玫饺⒚娴墓鈭鰪?fù)振幅分布。②對于純相位調(diào)制的計算全息圖，入射光將具有均勻且較高的透過率，正向傳輸計算時將振幅調(diào)制量置一。③令調(diào)制過的入射光正向傳輸至像面，此時，重建像的質(zhì)量受到影響。④保留像面的相位分布，調(diào)整振幅(如帶入目標(biāo)像振幅分布)，逆向傳輸?shù)饺⒚?；⑤重?fù)上述過程。通過多次迭代，重建像與目標(biāo)像的均方差趨于穩(wěn)定，并在全息面得到目標(biāo)相位分布，也就是器件需要對入射光實現(xiàn)的相位調(diào)制量分布。

第三步：結(jié)合全息面相位分布與單元結(jié)構(gòu)的電磁響應(yīng)特性，在全息面每個像素處選擇合適的單元結(jié)構(gòu)，導(dǎo)入仿真軟件驗證顯示效果。

第四步：利用微納制造技術(shù)，如電子束曝光(electron beam lithography，EBL)、聚焦離子束(focused ion beam，F(xiàn)IB)等制造超表面全息器件，搭建光路并進(jìn)行實驗驗證。

3 靜態(tài)超表面全息

超表面可以利用不同的單元結(jié)構(gòu)實現(xiàn)對入射光波相位、振幅等的任意調(diào)控，從而增大了全息編碼方式的可選擇性和編碼信息容量，有望實現(xiàn)高質(zhì)量的圖像重建和更新奇多樣的功能[30]。按照超表面對入射光波的作用機制來分類，靜態(tài)超表面全息可以分為：相位調(diào)制靜態(tài)超表面全息、振幅調(diào)制靜態(tài)超表面全息、復(fù)振幅調(diào)制靜態(tài)超表面全息、非線性調(diào)制靜態(tài)超表面全息。

3.1 相位調(diào)制靜態(tài)超表面全息

傳統(tǒng)折射型光學(xué)器件主要依靠面型的變化來調(diào)制入射光波的波前，但受限于自然界中光學(xué)材料較小的折射率值(一般n<2)，實現(xiàn)目標(biāo)相位調(diào)制需要較大的厚度，不利于光學(xué)系統(tǒng)的集成化。衍射光學(xué)元件(Diffractive optical elements，DOE)則利用離散深度的臺階來實現(xiàn)相位調(diào)制，但通常存在高級次衍射效應(yīng)，調(diào)制效率較低。由一系列亞波長人工結(jié)構(gòu)組成的超表面，可以靈活地調(diào)制入射光波的波前相位生成全息圖，具有平面化、集成化、無高階衍射級次、大視場角等特點。

以幾何相位為例，如第2 節(jié)所述，當(dāng)圓偏振光入射時，通過設(shè)計結(jié)構(gòu)的取向角可以賦予正交圓偏振態(tài)兩倍于取向角的附加相位(廣義幾何相位結(jié)構(gòu)可提供其他倍數(shù)[31])，是一種簡單易行的相位調(diào)制方法?；趲缀蜗辔徽{(diào)制原理的靜態(tài)超表面全息具有工作波段寬、相位調(diào)制深度大、易于實現(xiàn)等特點。2013 年，Huang 等首次在可見光范圍內(nèi)實現(xiàn)三維全息圖像重建，利用具有不同取向角的亞波長等離子體天線來編碼相位，結(jié)合CGH 算法，生成三維飛機和螺旋線全息圖像，如圖2(a)所示。由于具有亞波長量級的晶格常數(shù)，該超表面可以實現(xiàn)高分辨率和寬視場的零級同軸三維重建。同時由于幾何相位的無色散特性，該超表面可以在不犧牲圖像質(zhì)量的情況下實現(xiàn)寬帶全息成像[32]。2015 年，Zheng 等實現(xiàn)了一種寬帶高效率的反射式超表面全息，在入射波長為825 nm 處衍射效率達(dá)到80%，在630 nm 和1050 nm 的工作帶寬之間衍射效率在50%以上。該設(shè)計類似于半波片，在圓偏振光入射下，沿納米棒天線的長軸和短軸反射時具有接近π的相位延遲量，結(jié)合金膜作為反射鏡，可實現(xiàn)極高的偏振轉(zhuǎn)換效率[33]。2016 年，Zhang 等利用納米矩形孔徑陣列組成的超表面在可見光和近紅外波段內(nèi)實現(xiàn)了相位調(diào)制全息圖。該孔徑是納米矩形天線的巴比涅結(jié)構(gòu)，能夠容忍約10%的制造缺陷噪聲，包括矩形孔徑的長度和寬度、矩形孔徑的形狀變形以及相位噪聲[34]。

除了幾何相位，其他的相位調(diào)控方式也可以實現(xiàn)全息功能，其中一些方式，如惠更斯型相位調(diào)控、傳輸相位調(diào)控，與單元結(jié)構(gòu)的材料特性高度相關(guān)。不同于等離子體金屬超表面全息器件的高損耗，全介電材料具有低損耗、高折射率等特點，為實現(xiàn)高效率超表面全息顯示提供了一個新的思路。2016 年，Wang 等實現(xiàn)了高分辨率的灰度全息圖，在入射波長為1600 nm 時傳輸超過90%的光，衍射效率超過99%，工作光譜帶寬為375 nm，在當(dāng)時實現(xiàn)了寬光譜范圍內(nèi)再現(xiàn)灰度圖像的最高效率。該工作基于廣義惠更斯原理的多共振響應(yīng)的概念，以硅納米柱作為單元結(jié)構(gòu)，每個晶格都支持幾種電和磁米氏共振。納米柱具有與尺寸相關(guān)的相位延遲，能夠在全息圖中實現(xiàn)覆蓋0～2π的相位變化。該設(shè)計方法適用于其他具有高折射率的材料，例如Ge、GaAs、TiO2、金剛石等[35]。2016 年，Devlin 等利用自下而上的制造方法，通過原子層沉積(atomic layer deposition，ALD)制造了高縱橫比、低粗糙度、各向異性的TiO2單元結(jié)構(gòu)，并且這種工藝適用于可通過ALD 加工的任何材料。所制造的超表面全息圖在其各自的設(shè)計波長下具有當(dāng)時最高的效率：82%@480 nm、81%@532 nm 和78%@660 nm[36]。

3.2 振幅調(diào)制靜態(tài)超表面全息

振幅作為光的基本參量之一，同樣可以調(diào)制入射光波的波前從而生成靜態(tài)全息圖[37]。傳統(tǒng)光學(xué)器件通過鍍膜等方法調(diào)節(jié)透射系數(shù)和反射系數(shù)，以實現(xiàn)振幅調(diào)控。超表面可以基于單元結(jié)構(gòu)的選擇透過性，實現(xiàn)二元振幅調(diào)控。2012 年，Butt 等使用垂直排列的多壁碳納米管 (multiwalled carbon nanotubes，MWCNTs)陣列作為像素來生成二進(jìn)制振幅全息圖。由于MWCNTs 的納米級尺寸，獲得了具有±50°視場的低噪聲、高分辨率全息圖像[38]。2015 年，Huang 等通過使用隨機光子篩和遺傳算法實現(xiàn)均勻、無孿生像和高衍射效率的全息圖，并開發(fā)了一種光子篩設(shè)計方法，適用于對可見光的振幅、相位和偏振進(jìn)行高精度控制。由于光子篩的旋轉(zhuǎn)對稱性，全息圖具有偏振不敏感的特點，有利于其在光學(xué)成像和光譜學(xué)中的應(yīng)用[39]。2020 年，Xu 等使用光子篩作為振幅調(diào)制結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了兩個具有定量結(jié)構(gòu)相關(guān)性的二進(jìn)制振幅全息圖，如圖2(b)所示。研究人員開發(fā)了一種改進(jìn)的Gerchberg Saxton (GS)算法以獲得兩個二進(jìn)制振幅分布(由0 和1 組成)，將其中一個振幅分布的一部分1 切換為0，可以得到另一個振幅分布，這種結(jié)構(gòu)相關(guān)可以理解為集合關(guān)系。進(jìn)一步地，這兩個不同的振幅分布可以重建兩個完全不同的全息圖像，且具有寬帶成像和偏振不敏感的特性?；谒_發(fā)的算法，結(jié)合活性材料，使得單片超表面具有實現(xiàn)動態(tài)振幅全息的擴(kuò)展可能性[40]。

圖2 靜態(tài)超表面全息。(a) 基于金納米天線的幾何相位調(diào)制3D 軸上透射式全息圖[32]；(b) 兩個具有集合關(guān)系的納米篩振幅調(diào)制全息圖[40]；(c) 通過調(diào)整單元結(jié)構(gòu)的取向角和幾何參數(shù)來實現(xiàn)復(fù)振幅調(diào)制，分別重建了波長1.65 μm 和0.94 μm 入射下的全息圖像[42]；(d) 基于C 形Si 納米天線的THG 非線性調(diào)制青色和藍(lán)色全息圖[43]Fig.2 Static meta-holography.(a) PB phase-modulated 3D on-axis transmission holograms based on gold nanoantennas[32];(b) Two amplitude-modulated holograms of photon sieves with set relation[40];(c) Complex amplitude modulation is achieved by adjusting the orientation angle and geometric parameters of the cell structure,and the holographic images at the wavelengths of 1.65 μm and 0.94 μm are reconstructed respectively[42];(d) THG nonlinear modulated cyan and blue holograms based on C-shaped Si nanoantennas[43]

除了二元振幅調(diào)控超表面外，也可利用馬呂斯定律(Malus' law)來實現(xiàn)振幅的調(diào)制。入射光經(jīng)過與x軸夾角為 θ1的 起偏器后被調(diào)制成線偏振光E1：

線偏振光E1入 射到取向角為 α的單元結(jié)構(gòu)上被調(diào)制為E2：

E2入 射到與x軸夾角為 θ2的檢偏器后被調(diào)制成輸出光E3：

由上式可知，通過調(diào)節(jié)單元結(jié)構(gòu)的取向角α 可以連續(xù)調(diào)控入射光的振幅，這種基于馬呂斯定律的振幅調(diào)控方法具有設(shè)計簡單、寬帶、高魯棒性等特點。由于衍射效應(yīng)，衍射光學(xué)元件的純相位調(diào)制全息圖在重建全息圖像的中心存在一個閃亮的零級光斑。幾何相位超表面全息圖由于工作波長的偏離和制造誤差，也會使得零級光斑的強度急劇增加。這種難以避免的零級光斑極大地影響了實際應(yīng)用中的視覺效果。針對于此，2020 年，F(xiàn)u 等基于馬呂斯超表面的正、負(fù)振幅連續(xù)調(diào)制特性，精心設(shè)計銀納米磚的取向角，實現(xiàn)了消除零級衍射(零級強度為重建圖像總能量的0.7%)、超廣角(70°×70°)、寬帶(從520 nm 到660 nm)的超表面全息圖像重建[41]。

3.3 復(fù)振幅調(diào)制靜態(tài)超表面全息

相位調(diào)制超表面在重建光場時，僅使用衍射面的相位信息，而忽略了振幅信息，并且通常使用隨機相位擴(kuò)散低頻信息，這在觀察面上不可避免地會帶來散斑噪聲，影響信噪比，使得全息圖像質(zhì)量下降。而振幅調(diào)制超表面減弱了部分區(qū)域的振幅，導(dǎo)致一部分入射光能量損失，降低了能量利用率，不利于實際應(yīng)用。因此需要同時且獨立地調(diào)控入射光波的復(fù)振幅信息，從而提高全息圖像的質(zhì)量，并在不丟失任何信息的情況下重建完美的目標(biāo)光場。傳統(tǒng)的復(fù)振幅調(diào)制基于SLM 以雙相位分解、相位干涉等方法來實現(xiàn)[44]，超表面為全息顯示的波前復(fù)振幅調(diào)控和編碼提供了一個新的解決方案。

2013 年，Ni 等基于V 型納米孔的復(fù)振幅調(diào)制，在可見光波段內(nèi)實現(xiàn)了超表面全息。然而受限于金屬等離子體的調(diào)控機制，該超表面的工作帶寬十分有限[45]。2016 年，Wang 等基于C 型裂環(huán)諧振器的復(fù)振幅調(diào)制，在太赫茲波段內(nèi)實現(xiàn)了寬帶超表面全息。通過改變單元結(jié)構(gòu)的半徑、分裂角和取向角，實現(xiàn)了太赫茲頻率下的五階振幅調(diào)制和八階相位調(diào)制[46]。2018 年，Lee 等提出了一種X 型多晶硅單元結(jié)構(gòu)，可以獨立疊加兩個幾何相位的調(diào)制效果，通過改變X 型單元結(jié)構(gòu)的取向角實現(xiàn)對振幅和相位的連續(xù)調(diào)控，在532 nm 波長下實現(xiàn)了40%效率的全息顯示[26]。2019 年，Overvig 等通過調(diào)整納米柱的偏振轉(zhuǎn)換效率來控制振幅，調(diào)節(jié)取向角來控制相位，如圖2(c)所示。不僅獲得了比純相位調(diào)制超表面全息更好的圖像質(zhì)量，還實現(xiàn)了一些相位調(diào)制超表面全息無法實現(xiàn)的特性：創(chuàng)建無偽影的二維全息圖像，在物體平面上分別編碼相位和振幅分布，在超表面和物體平面上分別編碼強度分布，以及控制三維全息物體的表面紋理[42]。2020 年，Jiang 等提出了一種十字型單元結(jié)構(gòu)，通過調(diào)整幾何尺寸來控制振幅，旋轉(zhuǎn)單元結(jié)構(gòu)來操縱相位。實驗結(jié)果表明，復(fù)振幅全息圖重建的三維圖像質(zhì)量優(yōu)于純相位全息圖重建的三維圖像[47]。

3.4 非線性調(diào)制靜態(tài)超表面全息

近年來，研究人員將非線性光學(xué)擴(kuò)展到了超表面全息領(lǐng)域中，利用超表面在亞波長尺度改變局部的非線性相位響應(yīng)和振幅響應(yīng)，實現(xiàn)了非線性全息成像[48-49]。2018 年，Gao 等提出了一種C 形Si 納米天線組成的全介電超表面，如圖2(d)所示。入射光通過基頻共振得到增強，產(chǎn)生的三次諧波(third-harmonic generation，THG)信號通過高階共振重新分配到氣隙區(qū)，顯著降低了短波吸收損耗，增強因子高達(dá)230。在C 形Si 納米天線中引入從0 ～2π的突變相位后，首次基于Si 超表面實驗生成了高效的青色和藍(lán)色THG全息圖[43]。2021 年，F(xiàn)rese 等基于兩種不同的等離子體單元結(jié)構(gòu)引入了非線性幾何相位，重建雙色全息圖像。所使用的二重和三重旋轉(zhuǎn)對稱單元結(jié)構(gòu)根據(jù)二次諧波(second-harmonic generation，SHG)和THG 在正交圓偏振狀態(tài)下所需的局域相位定向，并且可以獨立地生成顏色信息。同時，可以調(diào)整單元結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)以及入射光的功率和波長控制兩個諧波信號的幅度比[50]。2022 年，Mao 等發(fā)現(xiàn)氮化硅超表面修飾的石英晶體可以用于SHG 的波前整形，實驗演示了非線性渦旋光束的生成和非線性全息[51]。2022 年，Mao等提出了一種用于非線性矢量全息術(shù)的超表面。通過改變具有三重旋轉(zhuǎn)對稱性的四個等離子體單元結(jié)構(gòu)的取向角，能夠獨立控制生成的SHG 的相位、振幅和偏振。結(jié)合改進(jìn)的GS 算法，設(shè)計和制造了用于產(chǎn)生具有單偏振和多偏振狀態(tài)的非線性全息圖像的四原子超表面[52]。

4 動態(tài)超表面全息的實現(xiàn)方式

靜態(tài)超表面全息器件，如圖3(a)所示，在設(shè)計制作完成后無法改變顯示圖案，這與快速變化的現(xiàn)實世界和多樣化的功能需求相矛盾，極大地限制了使用場景。因此，如何基于超表面全息器件實現(xiàn)動態(tài)顯示效果是該領(lǐng)域目前亟待解決的一個問題。

超表面全息顯示系統(tǒng)主要包含入射光場調(diào)制與解調(diào)系統(tǒng)、超表面器件兩部分，其中任意一個部分的變化都可以實現(xiàn)動態(tài)全息。在此，我們定義通過改變前端的輸入光場來實現(xiàn)動態(tài)效果的超表面全息器件為多路復(fù)用型超表面，如圖3(b)所示。雖然多路復(fù)用型超表面本身是靜態(tài)的，即其結(jié)構(gòu)及性質(zhì)不會改變，但通過設(shè)計可以響應(yīng)入射光的基本參量變化。而在光、電、化學(xué)、機械拉伸等刺激下單元結(jié)構(gòu)的折射率、周期等會發(fā)生改變的超表面器件則定義為主動式超表面器件，如圖3(c)所示。目前，這兩種動態(tài)超表面技術(shù)都有了一定的發(fā)展，其在全息顯示領(lǐng)域的應(yīng)用有望實現(xiàn)更高的信息容量和更真實的視覺體驗，下面將詳細(xì)介紹這兩種動態(tài)全息技術(shù)的實現(xiàn)方法和代表性工作。

圖3 超表面全息技術(shù)示意圖。(a) 靜態(tài)超表面全息器件；(b) 多路復(fù)用超表面全息器件，通過改變前端入射光的光參量可以實現(xiàn)動態(tài)顯示；(c) 主動式超表面全息器件，超表面器件本身可以響應(yīng)光電熱化學(xué)等刺激而產(chǎn)生變化Fig.3 Schematic of meta-holography.(a) Static meta-holography;(b) Multiplexed meta-holography,which means dynamic display can be realized by controlling the fundamental properties of incident light;(c) Active meta-holography,which means metasurface itself can be changed in response to optical,electrical,thermal,or chemical stimuli

4.1 多路復(fù)用超表面全息

入射光場包含多個基本參量，如入射角、波長、偏振和軌道角動量(orbital angular momentum，OAM)等，可以作為光場編碼與解碼的“密匙”，形成出入射光場間一一對應(yīng)的關(guān)系。配合靜態(tài)的超表面設(shè)計，通過改變前端的入射光場，就能實現(xiàn)一定程度的“動態(tài)”，從而改善圖像信息的傳輸帶寬、器件功能性和顯示效果。目前，超表面的多路復(fù)用技術(shù)已經(jīng)在彩色全息顯示[53]、光通信[54]和光學(xué)加密[55-56]等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

4.1.1 波長復(fù)用的超表面全息

波分復(fù)用技術(shù)[57]在光通信領(lǐng)域應(yīng)用較多，將其引入超表面全息領(lǐng)域則可將全息圖像進(jìn)一步拓展為彩色(多色)全息顯示圖像。人類眼睛后表面錐狀細(xì)胞上的不同區(qū)域?qū)t色(R)、綠色(G)和藍(lán)色(B)光譜的響應(yīng)給我們的世界帶來了繽紛色彩?！癛GB 三基色”的概念已經(jīng)深入人心，而“RGB”分離方法也廣泛應(yīng)用在彩色圖像處理、彩色攝影技術(shù)和彩色晶體管顯示等領(lǐng)域。彩色全息也同樣基于這一概念，通過設(shè)計單元結(jié)構(gòu)對于RGB 三色光產(chǎn)生獨立響應(yīng)，再組合全息投影像實現(xiàn)彩色全息像顯示。而傳統(tǒng)的光場調(diào)控器件一般在單波長下工作，要實現(xiàn)彩色全息，需要使用多器件組合[58]、時分復(fù)用[59]、空間復(fù)用[60]、深度復(fù)用[61]或頻域復(fù)用技術(shù)[62]，系統(tǒng)龐大復(fù)雜。相較于傳統(tǒng)的光場調(diào)控器件，超表面由亞波長單元結(jié)構(gòu)組成，能夠?qū)崿F(xiàn)更高自由度的光場調(diào)控，為彩色全息顯示提供了更多可能的實現(xiàn)途徑?？傮w來說，超表面單元結(jié)構(gòu)的設(shè)計思路和編碼方式一般包括以下四種：

①單元結(jié)構(gòu)的空間交錯排列。調(diào)整單元結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)可以影響其透射或反射光譜，從而使單元結(jié)構(gòu)起到類似“濾波”的效果，以解耦超表面對三色光的相位調(diào)制(一般為幾何相位調(diào)制)。2016 年，Zhao等選擇具有窄光譜響應(yīng)和相對較低的短波長損耗的硅納米棒作為基本結(jié)構(gòu)，以多晶胞像素單元實現(xiàn)了反射型的全彩色超表面全息圖，能夠通過空間復(fù)用三基色的子單元來重建任意 RGB 圖像[63]。同年，Wang 等用類似的設(shè)計思路將優(yōu)選出的硅單元結(jié)構(gòu)交錯排列組成一個大晶胞，當(dāng)三種顏色的激光同時入射超表面時，不同結(jié)構(gòu)調(diào)制對應(yīng)波長的光場，實現(xiàn)了紅花、綠葉、藍(lán)盆的組合顯示[64]，如圖4(a)所示。2022 年，Zhang等利用等離子體光刻技術(shù)制造了一個具有全彩、高純度和增強信息容量特性的厘米級等離子體超表面，通過銀 (Ag) 等離子體淺光柵的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計結(jié)合幾何相位調(diào)制實現(xiàn)了彩色全息顯示和彩色打印的結(jié)合[65]。這種設(shè)計方式在彩色全息領(lǐng)域已較為成熟，進(jìn)一步結(jié)合偏振復(fù)用可實現(xiàn)三維彩色全息圖像顯示和光學(xué)加密分享[66]。該方法的主要問題是調(diào)制效率低和存在信道串?dāng)_。目前，基于硅材料的光譜分立結(jié)構(gòu)較為常見，基于氮化鈣、鹵素鈣鈦礦材料的結(jié)構(gòu)也有一定的研究，但并不是所有可見光波段的常用材料都可以找到合適的結(jié)構(gòu)，單元結(jié)構(gòu)的尋找通常采用參數(shù)掃描的方式來實現(xiàn)，耗時較長。2022 年，Ma 等提出了一種由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和進(jìn)化策略組成的混合框架，以逆向設(shè)計具有所需共振波長、帶寬和相位延遲的單元結(jié)構(gòu)。使用所提出的混合框架，可以通過精確控制每個單元結(jié)構(gòu)的共振波長和帶寬來消除不同波長通道之間的串?dāng)_。該結(jié)構(gòu)設(shè)計框架的實用性通過線性偏振光的多色全息在理論和實現(xiàn)上得到了驗證[67]。

②多層結(jié)構(gòu)。該類型超表面通過多層設(shè)計將調(diào)制過程分開，一般至少包含一個濾光片的微陣列和一個相位調(diào)控陣列來分別實現(xiàn)對于光譜和相位的獨立調(diào)控。2019 年，Hu 等通過在基于 Fabry-Pérot (F-P)腔的單片彩色濾光片微陣列上疊加全息超表面，同時實現(xiàn)低串?dāng)_、偏振無關(guān)、高效、全彩的全息顯示和納米打印圖像顯示[68]，如圖4(b)所示。改變所設(shè)計的金屬-電介質(zhì)-金屬F-P 諧振腔(metal-dielectric-metal Fabry-Pérot，MDM F-P resonator)的電介質(zhì)厚度可以改變透過的波長，而全息圖由各向同性的介電單元結(jié)構(gòu)產(chǎn)生，兩者均通過傳統(tǒng)的電子束曝光(EBL)工藝制造。同年，Lim 等利用激光直寫技術(shù)制造了一種在相位板上疊加結(jié)構(gòu)色單元的單元結(jié)構(gòu)，能夠同時實現(xiàn)對于光振幅和相位的調(diào)控，通過合理排布像素單元可以在白光下呈現(xiàn)彩色圖像，在紅綠藍(lán)三種激光的照射下能夠投影出彩色全息圖的效果。這些多層超表面結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的關(guān)鍵在于振幅、相位等參量的分離調(diào)控和器件的制造，需要三維微納制造技術(shù)在制造效率、良品率、加工分辨率上為其提供制造可行性[69]。

③色散調(diào)控?；谀承┨厥鈫卧Y(jié)構(gòu)本身的色散特性，可以在多個目標(biāo)波長下建立完整的相位庫，實現(xiàn)多波長的獨立調(diào)制。2018 年，Shi 等利用反射型超表面使得單元結(jié)構(gòu)能夠提供更大的相位調(diào)制范圍，并且通過在單元設(shè)計中引入尖銳的共振實現(xiàn)了不同波長下相位的有效解耦。掃描結(jié)構(gòu)參數(shù)所得到的三個不同波長的相位響應(yīng)曲線產(chǎn)生了折疊，從而引入了不同波長相位間的非線性映射，展開量打破了不同波長相位間的一對一關(guān)系[70]，如圖4(c)所示。

④結(jié)合其他復(fù)用技術(shù)。利用幾何相位、迂回相位進(jìn)行相位調(diào)制，雖然其調(diào)制量與波長無關(guān)，但傳播過程是與波長相關(guān)的，所以不同波長的重建圖像會具有不同的位置、大小、衍射角。2019 年，Hu 等提供了一種非交錯的偏振復(fù)用三通道彩色全息顯示方法[71]。三個不同的相位分布被編碼在三個偏振通道上，使得彼此的串?dāng)_幾乎為零。由于通道設(shè)計是寬帶的，相應(yīng)的三個獨立構(gòu)造的重建強度分布被分配給三色(RGB)光束，從而在整個可見光范圍內(nèi)產(chǎn)生高質(zhì)量和高效率的矢量超表面全息顯示。2016 年，Li 等設(shè)計了納米狹縫單元構(gòu)成的超表面，不同波長的激光束以不同角度斜射時，只有在設(shè)計的成像位置上輸出光束才能夠疊加產(chǎn)生多色圖像[72]。類似地，2020 年，Deng 等利用雙鋁納米棒的幾何相位和迂回相位結(jié)合的方法，通過反射式超表面產(chǎn)生與波長無關(guān)的相位量，可實現(xiàn)對相位、偏振、振幅多參量的獨立調(diào)控。對于同一個納米單元，不同波長的全息圖像會被分離到不同的衍射角上[73]，如圖4(d)所示，只有在特定位置上才能實現(xiàn)三色通道圖案的合理疊加。

在彩色超表面全息快速發(fā)展的過程中，多功能集成也被融入器件設(shè)計以提供更高的信息容量。超表面彩色打印是一種利用超表面對入射光的光譜響應(yīng)來實現(xiàn)超高分辨率彩色圖像顯示效果的技術(shù)[74]。通過超表面設(shè)計實現(xiàn)彩色全息和彩色打印功能的集成，既能夠存儲更多信息量，也能保證極高的分辨率。上述討論中的第①、②類器件都可以實現(xiàn)這一功能。

當(dāng)以晶胞(晶胞內(nèi)包含可獨立調(diào)控RGB 三波長光的結(jié)構(gòu)單元)作為像素單元進(jìn)行超表面設(shè)計時，每一個像素對RGB 三色的全息圖像重建都產(chǎn)生貢獻(xiàn)。在單元內(nèi)，通過控制結(jié)構(gòu)參數(shù)可以調(diào)整單波長光的透反射強度和相位，從而實現(xiàn)任意彩色打印和彩色全息的集成。2019 年，Bao 等通過使用晶體硅納米磚組成的介質(zhì)超表面，將色域從2D CIE 擴(kuò)充到了3D HSB 空間，并且具有較高的納米打印分辨率(～36000 dpi)和全息保真度[75]。在每個晶胞像素中，包含了一個紅色單元、一個綠色單元和兩個藍(lán)色單元，每個單元由兩個納米磚組成，通過改變納米磚的長度來調(diào)控光譜信息，利用雙納米磚單元的兩個取向角差值可以連續(xù)調(diào)控顏色的強度，以適當(dāng)?shù)膹姸缺壤旌先涂梢缘玫綄捝虻募{米打印圖像。目標(biāo)的單色全息(菲涅爾區(qū))相位可以通過晶胞內(nèi)該色單元中雙納米磚的任一取向角來控制。當(dāng)同時入射三色激光時，三色全息的不同強度圖像重疊在一起，得到期望的彩色圖像。

對于非晶胞像素單元的結(jié)構(gòu)，只有當(dāng)像素內(nèi)放置的單元結(jié)構(gòu)對于入射單色光具有一定的響應(yīng)強度值時，該像素才對入射單色光的全息圖重建有貢獻(xiàn)。因此，在全息圖計算的過程中，需要調(diào)整傳統(tǒng)的GS 算法，使得對分割的全息面區(qū)域能夠在遠(yuǎn)場重建出目標(biāo)圖像，如圖4(b)所示。2019 年，Wei 等提供了一種以單層超表面同時實現(xiàn)雙色全息和雙色納米打印的策略[76]。多晶硅的納米磚和雙納米磚單元結(jié)構(gòu)可以分別提供紅綠兩色的光譜響應(yīng)，通過結(jié)構(gòu)的排列可以在近場得到雙色納米打印圖像。利用幾何相位調(diào)制其相位，對應(yīng)結(jié)構(gòu)能夠分別在目標(biāo)波長得到可觀的光譜響應(yīng)。在紅光和綠光入射下，利用調(diào)整的GS 算法得到分區(qū)相位，可實現(xiàn)遠(yuǎn)場的紅花綠葉雙色全息像。

圖4 波長復(fù)用的超表面全息器件用于彩色全息的不同實現(xiàn)方法。(a) 空間交錯排列型[64]；(b) 多層設(shè)計及改進(jìn)的GS 算法[68]；(c) 色散調(diào)控[70]；(d) 結(jié)合角度復(fù)用技術(shù)[73]Fig.4 Different methods for wavelength-multiplexed meta-holography to realize color holography.(a) Spatially staggered arrangement[64];(b) Multilayer design and adjusted GS algorithm[68];(c) Dispersion phase-based metasurface[70];(d) Combined with angle multiplexing technology[73]

4.1.2 角度復(fù)用的超表面全息

超表面的角度響應(yīng)建立了輸入輸出角之間的對應(yīng)關(guān)系，對于實現(xiàn)光束偏轉(zhuǎn)而言非常重要。通常超表面單元結(jié)構(gòu)在不同角度入射光照射下產(chǎn)生的相位會略有不同，但在可見光波段角度響應(yīng)可控的結(jié)構(gòu)仍鮮有報道，一般的超表面器件只能在幾個分立的入射角上實現(xiàn)全息等功能的復(fù)用[15,77]。

在角度復(fù)用的超表面全息技術(shù)方面，直接通過結(jié)構(gòu)單元設(shè)計來實現(xiàn)幾個分立角度上不同圖案的顯示是一種較為常用的方法。2017 年，Kamali 等設(shè)計并制造了一個由U 型單元結(jié)構(gòu)構(gòu)成的反射式角度復(fù)用超表面，可以在不同入射角情況下產(chǎn)生不同的響應(yīng)[77]。在正入射的情況下，只有對稱模式會被激發(fā)；而在斜入射的情況下對稱模式和反對稱模式都會被激發(fā)，從而在不同的入射情況下實現(xiàn)獨立控制。圖5(a)中展示了在0°和30°入射角情況下設(shè)計的角度復(fù)用超表面全息器件。在對應(yīng)的入射角條件下，可以顯示加州理工學(xué)院徽標(biāo)或者LMI 標(biāo)志。2021 年，Jang 等通過增加晶胞單元的設(shè)計復(fù)雜度，實現(xiàn)了將四個通道作為雙映射函數(shù)處理的獨立波前調(diào)制[78]。研究人員在一個像素大單元內(nèi)排布兩個單元結(jié)構(gòu)組以迂回相位的形式實現(xiàn)相位調(diào)控，每組單元結(jié)構(gòu)包含四個小結(jié)構(gòu)用于提供與角度相關(guān)的散射特性，根據(jù)入射角不同可以高保真地獨立生成四個不同的圖像：“東南西北”的英文單詞。

雖然超表面具有很高的設(shè)計自由度，但由于散射的復(fù)雜性，選取具有較高響應(yīng)可控性和角度依賴性的單元結(jié)構(gòu)還較為困難，目前角度復(fù)用超表面全息技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)的復(fù)用通道數(shù)量較少、功能性受限。因此結(jié)合其他復(fù)用技術(shù)進(jìn)一步擴(kuò)展超表面全息的通道數(shù)量是一種較為可行的方案。Wang 等通過結(jié)合角度復(fù)用和圓偏振復(fù)用技術(shù)建立了四個通道，實現(xiàn)了全龐加萊光束、正交偏振態(tài)圖像切換、矢量打印圖像和光通信應(yīng)用[79]。2022 年，Wan 等利用金屬-絕緣體-金屬基(metal-insulator-metal-based，MIM-based)單元結(jié)構(gòu)，在反射式超表面設(shè)計中以單元結(jié)構(gòu)構(gòu)成MIM F-P腔[80]。F-P 腔的有效腔長隨入射角而變化，導(dǎo)致單元的光學(xué)響應(yīng)具有角度敏感性。此外，基于MIM 的單元結(jié)構(gòu)還可以誘導(dǎo)明顯的等離子體響應(yīng)，以實現(xiàn)比單個金屬層更強的相位和幅度調(diào)制。該工作利用表面等離子體共振(surface plasmon resonance，SPR)和F-P納米腔共振的入射角敏感性，成功實現(xiàn)了角度加密的超表面設(shè)計，可同時構(gòu)造四個獨立編碼通道，包括雙全息圖像顯示通道和雙納米打印顯示通道，如圖5(b)所示，極大地拓寬了信息容量。

超表面角度復(fù)用技術(shù)不僅可以通過通道復(fù)用的方式擴(kuò)展成像的信息容量，還可以在離軸照明的情況下將倏逝波轉(zhuǎn)換為傳輸波，實現(xiàn)倏逝波信息的遠(yuǎn)場重建。2017 年，Zhang 等通過在亞波長尺度納米孔陣列中編碼信息，提出了一種超高信息容量超表面全息圖，可以在設(shè)計入射角度下實現(xiàn)圖像重建，將無畸變區(qū)域定義的2D 全息圖的成像信息容量增加11.5 倍[81]。

綜上，角度復(fù)用的超表面設(shè)計可以提供更高的信息容量和功能性，其中高分辨率、高效、可控的角度敏感單元結(jié)構(gòu)的探索和設(shè)計將成為該技術(shù)向前邁步的關(guān)鍵。

4.1.3 偏振復(fù)用的超表面全息

傳統(tǒng)的衍射光學(xué)元件或自由曲面光學(xué)器件一般只能調(diào)控光的振幅和相位，但超表面器件通過其形狀雙折射效應(yīng)(由構(gòu)成結(jié)構(gòu)元素各向異性的形狀而非材料的各向異性產(chǎn)生的雙折射效應(yīng))可以響應(yīng)入射光的不同偏振態(tài)或?qū)獾钠駪B(tài)進(jìn)行有效調(diào)控[82]。2013 年，Chen 等通過金納米棒在光照下所激發(fā)的強局域表面等離子體共振，結(jié)合金納米棒長度變化對反射波的相位調(diào)制，實現(xiàn)了高效的反射全息像顯示[83]。只有在偏振方向與納米棒方向一致的時候才會顯示目標(biāo)正交偏振下的設(shè)計圖像，將其中一個的像素陣列旋轉(zhuǎn)90°，利用像素單元內(nèi)空間重疊的納米交叉結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了偏振的復(fù)用。同年，Montelonge 等也基于類似的“L”形天線實現(xiàn)了正交線偏振復(fù)用的設(shè)計，不同之處在于其通過調(diào)制幅度實現(xiàn)[84]。除了線偏振態(tài)，Wen 等利用幾何相位和交錯排列結(jié)構(gòu)的方式也實現(xiàn)了圓偏振態(tài)的復(fù)用，但是左右旋的圖案不能獨立設(shè)計[85]。2017 年，Mueller 等通過結(jié)合幾何相位和傳輸相位實現(xiàn)了對任意一對正交偏振態(tài)的獨立相位調(diào)控[86]，如圖5(c)所示。進(jìn)一步，Li 等通過引入馬呂斯超表面的概念，利用光強和納米磚取向角之間的1-M 映射，將近場納米打印圖像與遠(yuǎn)場圓偏振雙全息圖像結(jié)合，如圖5(d)所示，增大了信息的存儲容量[87]。

矢量全息技術(shù)在激光加工、量子信息處理等方面具有廣闊的應(yīng)用前景，并且它的三維顯示特性使它成為設(shè)計下一代增強/虛擬現(xiàn)實(augmented reality/virtual reality，AR/VR)設(shè)備的理想選擇[88-89]。利用超表面進(jìn)行偏振調(diào)控也是一種產(chǎn)生任意矢量全息圖的可行方案。2018 年，Deng 等以兩個正交單元結(jié)構(gòu)組成的晶胞為構(gòu)筑基礎(chǔ)，通過改變單個單元結(jié)構(gòu)的偏移量和取向角調(diào)制相位和偏振，從而實現(xiàn)主動的多偏振模式衍射以及矢量全息圖像重建[90]。2019 年，通過使用結(jié)構(gòu)雙折射介電超表面，Arbabi 等提出并演示了具有任意偏振態(tài)的矢量全息圖[91]。在該項工作中，圖像的顏色信息(RGB)被轉(zhuǎn)換為斯托克斯參數(shù)(S1、S2、S3)以存儲并重建單色全息圖像，結(jié)合改進(jìn)的GS 算法，實現(xiàn)了偽彩色的全息像重建。在三維矢量全息技術(shù)方面，Ren 等提出了一種三維矢量全息技術(shù)，如圖5(e)所示，使用基于多層感知神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的機器學(xué)習(xí)逆向設(shè)計的方法精確重建任意的波前三維矢量場分布[92]。該技術(shù)可以在無透鏡的情況下以超大視場角(94°)和高衍射效率(78%)重建三維矢量全息圖像，適用于浮動顯示和加密領(lǐng)域。這項研究首次證明光的三維矢量狀態(tài)可以作為獨立的信息載體，實現(xiàn)信息的編碼和復(fù)用，不僅為下一代超寬帶、超大容量、超快速并行處理的光學(xué)全息系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)，同時也為人們加深理解光與物質(zhì)的相互作用(例如粒子操控)提供了一個嶄新的平臺。

圖5 角度復(fù)用和偏振復(fù)用型超表面全息術(shù)。(a) 角度復(fù)用型超表面全息器件，可以分別在0°和30°入射角情況下顯示不同的全息圖案[77]；(b) 結(jié)合納米打印設(shè)計，可以實現(xiàn)四種不同圖像的顯示[80]；(c) 利用傳輸相位結(jié)合幾何相位實現(xiàn)左右旋圓偏振復(fù)用的設(shè)計方案[86]；(d) 同時在近場記錄一幅連續(xù)的灰度納米打印圖像并在遠(yuǎn)場投影兩幅獨立的全息像[87]；(e) 利用機器學(xué)習(xí)逆向設(shè)計實現(xiàn)以超大視場角(94°)和高衍射效率(78%)重建三維的矢量全息圖像[92]Fig.5 Angle multiplexed and polarization multiplexed meta-holography.(a) Angle-multiplexed meta-holography,which can display different images at 0° and 30° incident angles,respectively[77];(b) Combined with nanoprinting and four different images can be projected[80];(c) Combine the propagation phase with the geometric phase to realize the multiplexing of LCP and RCP[86];(d) Simultaneously record a continuous grayscale nanoprinting image in the near field and project two independent holographic images in the far field[87];(e) Three-dimensional vectorial holography with a large field of view (94°) and high diffraction efficiency (78%) based on machine learning inverse design[92]

超表面控制任意偏振的能力使得多路偏振復(fù)用和矢量全息得以實現(xiàn)，同時也能進(jìn)一步與其他光場自由度(如OAM、波長和空間信道)結(jié)合。2022 年，Guo等提出了一種由四個單元結(jié)構(gòu)為晶胞單元組成的幾何相位超表面，具有以任意偏振編碼全彩色全息圖的能力，大大豐富了矢量全息的應(yīng)用場景[66]。然而，偏振復(fù)用超表面全息和超表面矢量全息都存在成本高、制造過程耗時長以及缺乏適用于單元結(jié)構(gòu)的有效動態(tài)控制方法的問題。為此，在科學(xué)性上，對納米尺度上的光與物質(zhì)相互作用過程的理解和控制有待于進(jìn)一步加深；在實用性上，機器學(xué)習(xí)的快速發(fā)展將有望提供對無散斑矢量全息圖像的新算法，用于高精度的矢量光束生成和場控制。

4.1.4 OAM 復(fù)用的超表面全息

以光的螺旋波前為表現(xiàn)形式的軌道角動量已成為一種新的設(shè)計自由度，用于提高光學(xué)和量子信息容量[93-96]，并在光鑷操縱、微納制造中廣泛應(yīng)用。然而，傳統(tǒng)的全息圖設(shè)計中缺乏OAM 選擇性，因為具有準(zhǔn)連續(xù)空間頻率分布的數(shù)字全息圖會破壞光的OAM，使光場在全息重建過程中完全失去OAM 物理特性[97]。但是由于OAM 的模式數(shù)在物理上是無限的，將OAM 全息技術(shù)與高分辨率的超表面相結(jié)合可以為超高容量全息設(shè)備和系統(tǒng)提供更大的發(fā)展空間。

2019 年，Ren 等提出一種OAM 超表面全息的概念，通過設(shè)計三種離散空間頻率分布的超表面全息圖分別實現(xiàn)了OAM 一致、OAM 選擇、OAM 復(fù)用三種全息顯示功能[98]，如圖6(a)所示。超表面全息圖離散的空間頻率分布使得光場在重建過程中保留了OAM 特性，從而可以產(chǎn)生像素化的全息圖像?；贠AM 多路復(fù)用的方法，通過OAM 選擇性全息圖的疊加，可以在不同的OAM 光束入射的情況下，分別重建出對應(yīng)的OAM 相關(guān)全息圖像。研究者們設(shè)計并展示了一個由GaN 納米柱組成的10 位OAM 復(fù)用超表面全息器件，可以重建210個具有高信噪比的OAM 相關(guān)全息圖像，展示出將OAM 自由度用于超高容量全息復(fù)用和OAM 加密的應(yīng)用前景。在此基礎(chǔ)上，2020 年Ren 等將純相位調(diào)控的超表面升級為復(fù)振幅調(diào)控的超表面，從而減小了通道之間的串?dāng)_，提高了通道數(shù)量[99]。利用雙光子聚合(two-photon polymerization，TPP)激光直寫技術(shù)，研究者將超表面圖案三維打印在聚合物介質(zhì)中，實現(xiàn)了大面積制造。該超表面單元結(jié)構(gòu)的正交偏振轉(zhuǎn)換效率和傳輸相位隨著納米柱的高度和長度變化，結(jié)合平面內(nèi)結(jié)構(gòu)取向角的變化，可以實現(xiàn)對于振幅和相位的獨立調(diào)制。通過設(shè)計并制造OAM 復(fù)用超表面全息器件，在不同OAM 光束的照射下，實現(xiàn)了200 個獨立的OAM 通道全息圖像的獨立顯示。作者展示了在兩個不同的平面上獨立平滑播放的全息視頻，表明該設(shè)計具有動態(tài)三維全息顯示的能力。

除此以外，2019 年，Jin 等提出了一種介電多動量轉(zhuǎn)換器設(shè)計，可以將具有不同拓?fù)潆姾傻腛AM 光束重建為不同的軸上圖像[100]，如圖6(b)所示。轉(zhuǎn)換器本身具有固定的相位分布，通過協(xié)同光的內(nèi)在特性(如OAM 和線性動量)以實現(xiàn)動態(tài)超表面全息。透射光束的總相位分布是

其中：ψmeta(x0,y0)在器件制造完成后就固定了，其數(shù)值由單元結(jié)構(gòu)陣列的取向角編碼的幾何相位來定義。而ψOAM(x0,y0)是入射OAM 光束的相位分布，它可以通過切換拓?fù)潆姾芍祃來改變，其相位通過開發(fā)的多OAM 相位檢索算法來設(shè)計。同時，利用多線性動量的相位檢索算法來設(shè)計線性動量轉(zhuǎn)換器，器件分別在紅、綠和藍(lán)光照明下展示出了“R”、“G”和“B”重構(gòu)圖案，證明了其具有在彩色全息顯示中應(yīng)用的可能性。

4.1.5 空間復(fù)用的超表面全息

得益于超表面極高的單元密度，可以通過空間劃分的方式將單個超表面分成多個子區(qū)域，通過照射不同區(qū)域可實現(xiàn)不同全息圖像的重建。2020 年，Izumi等通過空間復(fù)用的方法，將目標(biāo)顯示的視頻內(nèi)容劃分成48 幀，分別生成全息圖并分區(qū)域編碼在超表面上，通過二維位移臺移動超表面使得入射光照射不同區(qū)域，成功實現(xiàn)了30 f/s 幀率的圖像顯示[101]，如圖6(c)所示。但是該工作的幀率受到了位移臺的限制，幀數(shù)等于設(shè)計的全息通道數(shù)目，需要依靠大規(guī)模制造才能夠?qū)崿F(xiàn)更高的幀數(shù)，不利于實際應(yīng)用。同年，Gao 等提出了大幀數(shù)和高幀率的空間復(fù)用動態(tài)超表面三維全息的設(shè)計[102]。在該項工作中，除了展示了順序播放的超表面全息視頻，研究人員還演示了一個28 位的空間信道選擇超表面全息設(shè)計。通過將圖像劃分成多個子圖并編碼在不同的空間信道中，利用不同子圖的組合，該超表面全息器件可以顯示228個不同的幀，極大地提高了幀數(shù)，如圖6(d)所示。通過前端的高速動態(tài)空間光束編碼模塊可以生成高精度編碼的結(jié)構(gòu)光束，使超表面全息系統(tǒng)達(dá)到了9523 f/s 的高幀率。相較于之前的工作，該工作能夠?qū)崿F(xiàn)較大的幀數(shù)和較高的幀率，但是仍然存在整體系統(tǒng)較大(需要復(fù)雜調(diào)制光路產(chǎn)生結(jié)構(gòu)光場)、無法控制單個像素等問題。2022 年，Tang 等設(shè)計了較為緊湊的空間復(fù)用型器件，利用偏轉(zhuǎn)功能的超表面和全反射巧妙地實現(xiàn)了光路的折疊，但是能顯示的幀較少[103]。另一方面，可單像素控制的“相位選擇”的空間復(fù)用形式已由Li 等通過模板的方法進(jìn)行了嘗試[104]，如圖6(e)所示。該工作將四個不同階的相位單元結(jié)構(gòu)組成一個晶胞，利用EBL 曝光的方法可以寫入和擦除單個結(jié)構(gòu)上覆蓋的聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate，PMMA)，從而選擇該晶胞像素對應(yīng)的相位。原則上，一個超表面模板可以無限次擦除和重寫，以產(chǎn)生各種光學(xué)功能，從而大大降低了制造復(fù)雜性。這種可單像素控制的空間選擇超表面將有望以光調(diào)控的方式實現(xiàn)真正的“動態(tài)”，具有很大的發(fā)展探索空間。

4.1.6 傳輸方向復(fù)用的超表面全息

不對稱傳輸現(xiàn)象已廣泛應(yīng)用于光學(xué)隔離器、光纖環(huán)形器等器件的制作，對于光路搭建與功能實現(xiàn)具有重要作用[105]?；诔砻鎸崿F(xiàn)不對稱傳輸，或者稱為“非互易傳輸”，有利于多功能集成和實現(xiàn)復(fù)雜的光場調(diào)控，為未來光計算、光芯片、片上系統(tǒng)等領(lǐng)域的設(shè)計和發(fā)展打開新思路。

電磁波的偏振轉(zhuǎn)換特性在實現(xiàn)不對稱傳輸中起到了關(guān)鍵作用。上文偏振復(fù)用超表面中所描述的各向異性超表面結(jié)構(gòu)，對于不同偏振態(tài)的光具有不同的傳輸效應(yīng)，也被廣泛應(yīng)用于傳輸方向復(fù)用的超表面設(shè)計中。2019 年，F(xiàn)rese 等通過設(shè)計雙層等離子體透射式超表面，在近紅外波段對光進(jìn)行全相位和幅度調(diào)控[106]。基于L 型等離子體納米天線的偏振轉(zhuǎn)換效應(yīng)和雙偏振器單元結(jié)構(gòu)的偏振過濾特性，引入局域不對稱的設(shè)計實現(xiàn)了不對稱的超表面全息和非互易光傳輸。對于設(shè)計波長1150 nm，在正向傳輸?shù)恼黄裢ǖ纼?nèi)以3.3%的偏振轉(zhuǎn)換效率實現(xiàn)全息圖重建，而在反向傳播中，偏振轉(zhuǎn)換效率衰減到0.4%。2020 年，Ansari 等使用分區(qū)設(shè)計的方式實現(xiàn)了單層可見光區(qū)域的不對稱傳輸全息顯示。將包含兩個不同取向角的納米單元組成大晶胞，通過控制兩個納米單元的相位差可以控制前向反向的傳輸響應(yīng)，使得在前向傳輸光照射的情況下表現(xiàn)為會聚效果，在反向傳輸?shù)那闆r下表現(xiàn)為發(fā)散效果[107]。通過優(yōu)化材料(a-Si:H)提高了效率，納米單元的傳輸透過率為75%，偏振轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了74%，全息衍射效率達(dá)到61%。同時由于器件為單層設(shè)計，加工較為簡單且與傳統(tǒng)的互補金屬氧化物半導(dǎo)體(complementary metal-oxide-semiconductor，CMOS)工藝兼容，但兩個傳輸方向之間存在串?dāng)_且需要工作在菲涅爾區(qū)。2021 年，Naveed 等通過將傳輸相位和幾何相位相結(jié)合的方式實現(xiàn)了不對稱的全息圖像顯示，圖像間完全解耦，如圖6(f)所示，正交偏振光占總輸出光的比值達(dá)到了88%[108]。2022 年，Kruk 等在不對稱傳輸設(shè)計時融入了非線性介質(zhì)諧振器，在紅外光照射下可以產(chǎn)生可見光譜范圍內(nèi)的圖像，通過THG 的非線性過程，超表面在兩個相反的照明方向下將產(chǎn)生不同的圖像，為新型納米光子器件提供了一種新的設(shè)計思路[109]。

圖6 OAM 復(fù)用、空間復(fù)用和非互易超表面全息術(shù)。(a) 離散空間頻率分布的OAM 復(fù)用超表面全息器件設(shè)計[98]；(b) 可見光波段多動量介質(zhì)超表面轉(zhuǎn)換器[100]，比例尺：20 μm；(c) 空間復(fù)用型超表面器件，以類似電影放映的方式實現(xiàn)動態(tài)全息視頻顯示[101]；(d) 空間復(fù)用型超表面器件，可實現(xiàn)電影放映式動態(tài)全息顯示或者結(jié)合結(jié)構(gòu)光實現(xiàn)228 個不同的幀顯示[102]；(e) 利用模板實現(xiàn)的空間信道選擇超表面器件[104]；(f) 非互易型超表面全息器件[108]Fig.6 OAM multiplexed,space channel multiplexed and nonreciprocal meta-holography.(a) OAM-multiplexed meta-holography with discrete spatial frequency distribution[98];(b) Dielectric multi-momentum meta-transformer in the visible[100],scale bar: 20 μm;(c) Space channel multiplexed metasurface,which can realize dynamic holographic video display in a way similar to cinematography[101];(d) Space channel multiplexed metasurface,which can realize cinematography-inspired dynamic holographic display and display 228 different frames with structured laser beam[102];(e) Space channel selecting metasurface realized by a template[104];(f) Nonreciprocal meta-holographic device[108]

但是，目前傳輸方向復(fù)用的超表面全息器件依舊面臨著傳輸效率低、制造工藝復(fù)雜、偏振敏感等方面的問題。以幾何相位為設(shè)計思路的不對稱傳輸超表面實際上是依賴于幾何相位的偏振敏感特性，在信息復(fù)用的角度上，兩個自由度(圓偏振旋向和傳輸方向)之間是重疊的[87]，并且器件總要受到單元結(jié)構(gòu)的偏振轉(zhuǎn)換效率的限制。因此，偏振無關(guān)的不對稱傳輸器件設(shè)計將是未來該方向發(fā)展的一大難點。另一方面，超表面的加工制造一直是設(shè)計轉(zhuǎn)化成實物的一道難關(guān)。在多層級聯(lián)的設(shè)計中，層與層之間的對準(zhǔn)問題、額外增加的損耗問題都會降低超表面的效率。一些單層設(shè)計的幾何相位不對稱傳輸超表面改進(jìn)了全息圖的算法，可以實現(xiàn)不對稱的全息顯示并且避免了多層加工所面臨的問題，但是圖像質(zhì)量較差，且只能工作在菲涅爾衍射區(qū)[108]。全息圖像的顯示可以更加直觀地展示出這些不對稱傳輸超表面設(shè)計的可行性，但不對稱傳輸全息顯示的實用性有待研究者進(jìn)一步討論?？傮w而言，傳輸方向復(fù)用的超表面全息豐富了器件的功能性，將會極大地促進(jìn)未來光集成、信息安全、光通信等領(lǐng)域的發(fā)展。

4.1.7 衍射光場復(fù)用的超表面全息

在上述提到的復(fù)用手段中，入射光場的偏振、OAM、角度等信息一般作為全息顯示通道的開關(guān)信號，而不包含全息顯示的實際信息，只以超表面作為信息存儲的主要載體。對于衍射光場復(fù)用的超表面全息技術(shù)，入射光場中也包含部分全息顯示信息，通過改變?nèi)肷涔鈭?，改變傳輸一段距離后的衍射光場，可以基于同一片超表面器件實現(xiàn)復(fù)用式動態(tài)全息功能。光與超表面的相互作用可表述為

其中：Uinc(x0,y0)和Umeta(x0,y0)分別為入射光和超表面的光場函數(shù)。2020 年，Qu 等將加密信息分為上述兩個矩陣，通過入射光的相位矩陣提供了額外的自由度，使得靜態(tài)的全電介質(zhì)超表面“動”起來，如圖7(a)所示，實現(xiàn)了利用單個超表面?zhèn)鬏敽徒饷苋我馊D像和視頻的效果[110]。除此之外，通過設(shè)計組合多個超表面，當(dāng)級聯(lián)[111]、旋轉(zhuǎn)[112]單個超表面時也可以在幾個全息圖像間實現(xiàn)圖案切換，提高了信息存儲的安全性。2021 年，Georgi 等將全息圖的信息分別編碼在兩個超表面上，這些單層的超表面已經(jīng)可以形成遠(yuǎn)場全息圖像，而當(dāng)兩個超表面以100 μm 的間距被堆疊在一起時，照射這些級聯(lián)的器件就會產(chǎn)生新的全息圖像[111]，如圖7(b)所示。2022 年，Wei 等受級聯(lián)超表面全息的啟發(fā)，使用兩個級聯(lián)超表面之間的平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)作為附加設(shè)計自由度，引入旋轉(zhuǎn)復(fù)用方法的概念[112]，如圖7(c)所示。為獲得每個超表面合適的相位調(diào)制分布，設(shè)計者提出了一種基于機器學(xué)習(xí)的迭代梯度優(yōu)化方案，所設(shè)計制造的器件可實現(xiàn)單層和級聯(lián)的雙工作模式并成功演示了六種不同的全息圖像。超表面旋轉(zhuǎn)自由度的開發(fā)使得一組級聯(lián)超表面可以進(jìn)一步編碼兩個或多個任意目標(biāo)圖像，這提供了兩倍或更多的信息容量，在高安全級別的光加密和防偽方面具有巨大潛力，并為高密度圖像存儲、光信息處理、動態(tài)顯示等許多領(lǐng)域的前沿研究開辟了新的可能性。

圖7 衍射光場復(fù)用型超表面全息器件。(a) 衍射光場復(fù)用型全息器件，可以通過利用空間光調(diào)制器改變?nèi)肷涔鈭鰧崿F(xiàn)動態(tài)顯示[110]；(b) 級聯(lián)超表面，可以在單層或多層疊加的情況下顯示不同的全息圖像[111]；(c) 利用兩個級聯(lián)超表面的面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，引入旋轉(zhuǎn)復(fù)用的概念，從而展示不同的圖像[112]Fig.7 Diffracted light field multiplexed meta-holography.(a) Diffracted light field multiplexed meta-holography,which can realize dynamic display by changing the incident light field with spatial light modulators[110];(b) Cascaded metasurface,which can display different holographic images in the mood of single-layer or multi-layer[111];(c) Use the in-plane rotation between two cascaded metasurface to introduce the concept of the rotational multiplexing method and display different images[112]

4.1.8 基于超表面復(fù)用全息的器件與應(yīng)用

除以上所介紹的復(fù)用技術(shù)外，透反射全空間復(fù)用[113-114]、衍射級次復(fù)用[115-116]等超表面全息技術(shù)也逐步拓展開來，為動態(tài)顯示的實現(xiàn)方案增添了多樣性。基于這些復(fù)用技術(shù)，近年來超表面全息技術(shù)在應(yīng)用方面也不斷推進(jìn)，以顯示為例，超表面彩色全息、動態(tài)全息等技術(shù)都希望能夠重建更加逼真的現(xiàn)實世界的場景。除此之外，超表面的顯示功能與其他器件結(jié)合還能實現(xiàn)傳感功能。2021 年，Kim 等將對氣體具有快速反應(yīng)的液晶(liquid crystal，LC)材料和圓偏振復(fù)用全息超表面器件結(jié)合起來，實現(xiàn)了自動探測易揮發(fā)性氣體并發(fā)出全息視覺警報的功能[117]，如圖8(a)所示。所使用的液晶材料對于氣體的響應(yīng)可以反映在對入射光的偏振調(diào)節(jié)上，當(dāng)氣體的濃度超過某一閾值時，出射光的偏振狀態(tài)就會改變。通過結(jié)合傳輸相位與幾何相位，實現(xiàn)了左右旋圓偏振光入射時分別顯示笑臉與警告圖像，從而達(dá)到檢測和警報的效果。所設(shè)計的超表面加工在柔性基底上，并進(jìn)一步轉(zhuǎn)移到護(hù)目鏡上測試，測試效果與理論設(shè)計相符合，具有較高的器件集成度和較低的機械與電損耗。

通過對全息顯示圖案的特殊編碼，復(fù)用超表面全息器件也有望用于信息安全。2021 年，Li 等受廣泛用于網(wǎng)絡(luò)和無線數(shù)字通信的碼分復(fù)用(code division multiplexing，CDM)的啟發(fā)，設(shè)計并實現(xiàn)了一種動態(tài)超表面全息圖像顯示器件，可由前端結(jié)構(gòu)光束和偏振態(tài)控制顯示圖像[118]，如圖8(b)所示。具體來說，將兩個正交偏振態(tài)和16 個光照代碼庫結(jié)合起來，生成32 個獨立的通道。只有正確的代碼才能解碼特定通道的目標(biāo)圖像，為信息傳輸提供加密效果。同時，所展示的具有CDM 的超表面全息技術(shù)可以通過DMD實現(xiàn)主動調(diào)制，可用于實現(xiàn)動態(tài)信息顯示、數(shù)據(jù)存儲、光學(xué)加密和其他光學(xué)應(yīng)用。同年，Wan 等通過控制遠(yuǎn)場全息圖像的相位分布來復(fù)用矢量全息圖像[119]。通過改進(jìn)的GS 算法精確控制重建圖像的相位差，兩個不同的全息圖像通過兩個空間交錯排布的超表面獨立設(shè)計分別對兩個正交圓偏振光響應(yīng)，并且在遠(yuǎn)場靈活地加密了額外的矢量全息圖，如圖8(c)所示。通過改變?nèi)肷涞淖笥倚龍A偏振光之間的相位差，可以調(diào)整重疊區(qū)域內(nèi)的圖像。

圖8 基于超表面復(fù)用全息術(shù)的應(yīng)用。(a) 一種左右旋偏振復(fù)用全息器件用于氣體傳感，通過結(jié)合液晶材料，可以在不同的氣體濃度下改變?nèi)肷涔獾膱A偏振特性在兩個圖像之間切換[117]；(b) 碼分復(fù)用型超表面器件[118]；(c) 一種矢量全息器件，可以控制全息像面的相位信息，使在特定的輸入輸出條件下隱藏或顯示圖像信息[119]Fig.8 Applications based on multiplexed meta-holography.(a) A polarization-multiplexed holographic device for gas sensing by combining liquid crystal materials and the circular polarization of incident light can be switched under different gas concentrations which leads to holographic image switching between two images[117];(b) Code division multiplexed metasurface[118];(c) A vectorial holographic device can control the phase information of the holographic image plane to hide or display image information under specific input and output conditions[119]

新興的片上超表面能夠支持具有各種功能的表面等離子體基元模式，可實現(xiàn)光束偏轉(zhuǎn)[120]、定向發(fā)射/耦合[121]、全息顯示[122-124]等功能，是芯片級光子系統(tǒng)實用化的一條新途徑。2022 年，Shi 等提出一種超表面片上與自由空間復(fù)用的設(shè)計方案，通過實驗實現(xiàn)了一種新型的小型化AR 全息設(shè)備[125]。結(jié)合迂回相位與幾何相位設(shè)計，片上超表面可以同時操縱片上導(dǎo)波和自由空間光波，提升了超表面的信道容量并避免了零級衍射干擾。所提出的基于片上超表面的AR 設(shè)計與當(dāng)前的光子集成電路(photonic integrated circuit，PIC)技術(shù)兼容，因此可以很容易地與可穿戴光子設(shè)備集成，具有小型化、多功能和寬帶操作的優(yōu)勢。

綜上，雖然基于復(fù)用超表面的全息技術(shù)還不能真正實現(xiàn)任意圖像或視頻顯示，但是它的信息容量已經(jīng)可以應(yīng)用于一些只需少量圖像顯示的專業(yè)場景。復(fù)用的概念和設(shè)計可以從多個維度增大信息存儲量和信息的安全性，其中波長復(fù)用、偏振復(fù)用等方法在彩色全息、矢量全息、光通信等領(lǐng)域有較大的使用價值。

4.2 主動式超表面全息

除了改變?nèi)肷涔鈭龅母鞣N特性(偏振、波長、入射角度等)來復(fù)用單個超表面以實現(xiàn)動態(tài)顯示，還可通過改變超表面本身的性質(zhì)，實現(xiàn)主動式超表面全息從而達(dá)到動態(tài)效果，調(diào)制方法主要有以下幾種類型：相變材料調(diào)制、化學(xué)反應(yīng)調(diào)制、機械調(diào)制、介質(zhì)環(huán)境調(diào)制、電調(diào)制、激光調(diào)制和熱調(diào)制等。

4.2.1 相變材料調(diào)制

相變材料(Phase change materials，PCMs)為實現(xiàn)主動式超表面全息提供了一條切實可行的途徑，研究人員已經(jīng)基于Ge2Sb2Te2(GST)和VO2實現(xiàn)了多種可切換的全息圖像重建，極大地提高了信息容量。

通過適當(dāng)?shù)臒?、光、電等刺激，可以實現(xiàn)GST晶態(tài)與非晶態(tài)的靈活切換，基于這兩種狀態(tài)所表現(xiàn)出不同的折射率和消光系數(shù)，結(jié)合超表面可以達(dá)到主動可調(diào)全息圖像的目標(biāo)。2018 年，Zhang 等將GST 與等離子體超表面結(jié)合，實現(xiàn)了在中紅外光譜范圍內(nèi)工作的可切換的自旋霍爾效應(yīng)、渦旋光束產(chǎn)生和全息術(shù)，如圖9(a)所示。所設(shè)計的超表面使用金屬-絕緣體-金屬(MIM)結(jié)構(gòu)，其中絕緣體層由GST 和MgF2薄膜組成，底層由金組成，頂部由亞波長金等離子天線組成陣列，通過加熱實現(xiàn)GST 從非晶態(tài)到晶態(tài)的轉(zhuǎn)化[126]。2020 年，Zhou 等利用金裂環(huán)諧振器(split ring resonator,SRR)-GST-SiO2的單元結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了動態(tài)全息加密。該方法基于GST 的非晶態(tài)與晶態(tài)的轉(zhuǎn)變，以改變SRR 的振幅和相位響應(yīng)[127]。但是，上述工作僅提供兩種可切換的狀態(tài)，這限制了全息通道的信息容量。針對于此，2021 年，Choi 等通過將單獨設(shè)計的控制光源應(yīng)用于非晶態(tài)GST 超表面，創(chuàng)建了非晶態(tài)和晶態(tài)GST 單元結(jié)構(gòu)的共存態(tài)，將GST 超表面的全息顯示擴(kuò)展為三個通道。此外，還提出了一種加密方法，該技術(shù)僅在混合狀態(tài)下生成解密的視覺信息，而在其余狀態(tài)下提供加密信息[128]。

另外一種相變材料VO2會在熱、光、電等刺激下，實現(xiàn)從絕緣體到金屬的轉(zhuǎn)變，其變化的臨界溫度約為 67 ℃。2021 年，Tripathi 等提出了一種米氏共振超表面，可通過薄VO2層的絕緣體到金屬過渡進(jìn)行調(diào)諧，在通信波段下具有可逆特性。證明了VO2的兩種可調(diào)諧功能：超表面的透射率可調(diào)；近完美吸收的光譜可調(diào)。并且這兩種功能都伴隨著一種類似滯后的行為，可以利用這種行為產(chǎn)生多種記憶效應(yīng)，為基于全介質(zhì)共振超表面的納米級光開關(guān)、調(diào)制器、神經(jīng)形態(tài)光子學(xué)和傳感器鋪平了道路[129]。2019 年，Liu等利用兩組諧振單元結(jié)構(gòu)：無源的C 形SRR 和集成VO2的有源C 形SRR 組成一個超表面，通過升高溫度，改變單元結(jié)構(gòu)的響應(yīng)特性，在太赫茲波段實現(xiàn)了全息圖像的切換[130]。2021 年，Yang 等通過在金膜上的VO2薄膜頂部使用金納米棒陣列實現(xiàn)可切換反射式超表面，在可見光波段展示了多種功能：偏振轉(zhuǎn)換、光束控制、傅里葉全息圖和菲涅爾全息圖[131]。

4.2.2 化學(xué)反應(yīng)調(diào)制

近期研究人員發(fā)現(xiàn)特殊的化學(xué)反應(yīng)也可被用來控制超表面，實現(xiàn)全息圖的動態(tài)調(diào)控，但這通常需要較長的反應(yīng)時間，限制了該方法的實際應(yīng)用前景。2018 年，Li 等通過受控的化學(xué)反應(yīng)在可見光波段獨立操縱可尋址的亞波長像素，實現(xiàn)了動態(tài)超表面全息圖像的重建，如圖9(b)所示。該超表面由Mg 獨特的氫化/脫氫特性實現(xiàn)的動態(tài)像素組成，Mg 不僅在可見光波段下具有優(yōu)異的等離子體特性，在氫氣負(fù)載時還可以經(jīng)歷從金屬到電介質(zhì)的相變，形成氫化鎂(MgH2)，并且這種相變是可逆的[132]。同樣地，基于Mg 獨特的氫化/脫氫特性，2019 年，Li 等通過使用復(fù)合催化鎂-金-納米天線的氫化/脫氫過程，展示了一種可切換的超表面全息圖。該超表面由具有固定散射相位的純金V 形天線和通過氫化/脫氫具有可切換散射相位的復(fù)合鎂-金V 形天線組成，并開發(fā)了一種基于Fidoc 方法的迭代全息圖算法來建立量化的相位關(guān)系，允許選定動態(tài)像素的可切換散射相位來重建圖像[133]。進(jìn)一步地，2020 年，Li 等展示了一種雙功能主動式超表面，空間排列的階梯式納米像素可以精確控制光的振幅和相位，并基于Mg 可逆的氫化/脫氫特性實現(xiàn)了動態(tài)全息和動態(tài)彩色打印之間的雙功能切換[134]。

4.2.3 機械調(diào)制

機械拉伸和機械施壓的方法也被證明可以用作主動式超表面全息的調(diào)控方式。2017 年，Malek 等利用可拉伸的聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane，PDMS)基板上的金納米棒，實現(xiàn)了多個不同全息圖像之間的動態(tài)切換顯示，如圖9(c)所示。超表面的各向同性拉伸改變了位置相關(guān)的相位不連續(xù)性，并重新編碼了產(chǎn)生的波前，開辟了可拉伸超表面全息圖作為用于動態(tài)可重構(gòu)光通信和平面顯示設(shè)備的可能性，還證實了可拉伸基板上的超表面可以作為各種可重構(gòu)光學(xué)設(shè)備的平臺[135]。2020 年，Kim 等將超表面和液晶(LC)結(jié)合，利用LC 可以響應(yīng)表面壓力的特性編碼不同的全息圖。在沒有壓力的情況下，該器件展示了為LCP 編碼的自行車全息圖，這是因為穿過LC 單元的入射LCP 的偏振沒有變化(相位延遲量約等于0)。當(dāng)通過手指觸摸施加表面壓力時，LC 分子重新定向改變了相位延遲量，LCP 轉(zhuǎn)換為RCP，進(jìn)而實現(xiàn)了全息圖像從自行車到火箭的切換[136]。

圖9 主動式超表面全息。(a) 基于GST 相變特性的可切換自旋霍爾效應(yīng)、渦旋光束產(chǎn)生和全息術(shù)[126]；(b) 基于Mg 氫化/脫氫特性的動態(tài)超表面全息[132]；(c) 基于可拉伸PDMS 基底的全息圖像動態(tài)切換顯示[135]Fig.9 Active meta-holography.(a) Switchable spin Hall effect,vortex beam generation and holography based on GST phase transition properties[126];(b) Dynamic metasurface holography based on Mg hydrogenation/dehydrogenation properties[132];(c) Dynamic switching display of holographic image based on stretchable PDMS substrate[135]

在微波波段，研究人員提出了一種機械旋轉(zhuǎn)控制超表面的方法。2022 年，Xu 等通過步進(jìn)電機和傳動齒輪來控制單個單元結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)圓偏振電磁波入射條件下的幾何相位連續(xù)控制。通過使用相同的超表面演示了超透鏡聚焦位置的調(diào)諧、渦旋光拓?fù)浜芍档母淖兒涂汕袚Q的全息圖像重建[137]。

4.2.4 介質(zhì)環(huán)境調(diào)制

基于超表面所處介質(zhì)的環(huán)境折射率不同，可以分別設(shè)計其響應(yīng)特性，進(jìn)而實現(xiàn)動態(tài)全息圖像的靈活切換。2021 年，Xiong 等提出了一種實現(xiàn)全息模擬過程的通用數(shù)學(xué)方法，稱為相位矩陣變換?；谠摲椒ǎO(shè)計了動態(tài)超表面全息圖，該圖在空氣中顯示“鳥”圖像，以及在環(huán)境變?yōu)槭蜁r顯示“魚”圖像。此外，該超表面還引入波長作為設(shè)計彩色全息模仿裝置的額外自由度，當(dāng)環(huán)境發(fā)生變化時，710 nm 波長的“D”和 890 nm 波長的“C”彩色全息圖像會自動分別變成“I”和“U”。該超表面基于MIM 作為單元結(jié)構(gòu)，激發(fā)的局域表面等離子體激元模式對周圍環(huán)境非常敏感，如圖10(a)所示，將樣品浸入油中后，由于周圍介質(zhì)的折射率增加，紅色箭頭標(biāo)記的兩個共振模式將向更長的波長移動。從工作波長800 nm 處的模擬電場強度(藍(lán)色虛線)可以看出，空氣中的模式是兩個納米棒之間的耦合模式，而在油中僅是右邊納米棒的電偶極子，導(dǎo)致兩個不同的相位響應(yīng)分別等于零(空氣中)和π(油中)?；诖嗽?，找到了在相位矩陣轉(zhuǎn)換過程中其他的映射關(guān)系[138]。類似地，2021 年，Cai 等通過改變介質(zhì)環(huán)境(水和空氣)的折射率，改變TiO2納米柱在空氣和水中不同的響應(yīng)特性，進(jìn)而獨立地編碼全息圖，演示了可切換全息圖像的偏振不敏感主動式超表面[139]。2022 年，Yang 等將超表面引入到光波導(dǎo)集成中，硅納米天線沿著片上光波傳播路徑在Si3N4波導(dǎo)和二氧化硅襯底上編碼排列，在片上空間投影了具有多個信息通道的三維全息圖。此外，通過水中沉浸式調(diào)諧方案，實現(xiàn)了片上實時動態(tài)調(diào)諧的雙通道任意編碼全息圖像顯示[140]。

4.2.5 電調(diào)制

LC 具有獨特的光學(xué)雙折射特性，即尋常光折射率和非常光折射率存在差異，這種差異通常在0.2～0.4 左右。通過施加電場，LC 可以在液態(tài)和固態(tài)之間切換，從而產(chǎn)生可控的雙折射現(xiàn)象，用于主動式超表面調(diào)諧[141]。2020 年，Kim 等將偏振復(fù)用超表面和LC 結(jié)合，實現(xiàn)了可以電切換的動態(tài)超表面全息顯示?；陔姶碳C 層使相位延遲量改變的原理，利用不同的電壓值可以動態(tài)切換為LCP 和RCP 編碼的兩個全息圖像[136]。2021 年，Hu 等通過將幾何相位超表面與LC 集成，展示了一種用于可見光范圍內(nèi)可尋址器件的可電調(diào)偏振相關(guān)超表面。底層超表面由包裹在PMMA 中的幾何相位單元結(jié)構(gòu)組成，與直接包裹LC 相比，具有更高的折射率對比度和器件效率。上層液晶層束縛在兩個對準(zhǔn)層中間，通過電調(diào)節(jié)來控制LC 分子的取向，可以實現(xiàn)具有不同相位延遲的可變波片功能，進(jìn)而利用線偏振器來實現(xiàn)兩個正交圓偏振光通道的連續(xù)強度調(diào)諧。演示了可電調(diào)單色和多色可切換超表面全息圖以及動態(tài)變焦超透鏡，還實現(xiàn)了電尋址動態(tài)超表面[142]。除此之外，研究人員通過電調(diào)的方式來改變超表面周圍環(huán)境的折射率也實現(xiàn)了主動式超表面全息。2020 年，Li 等展示了用于光投影顯示的電控數(shù)字超表面設(shè)備，如圖10(b)所示。每個像素包含排列在矩形晶格中的金納米棒，在一些預(yù)選的(奇數(shù)或偶數(shù))列中，納米棒覆蓋有介電材料。隨后將樣品封裝在LC 中。通過在毫秒時間尺度上經(jīng)由LC 電控制相鄰奇數(shù)列和偶數(shù)列之間的相對相位，每個像素可以被設(shè)計成在遠(yuǎn)場產(chǎn)生特定的動態(tài)全息圖案[143]?；陬愃频脑?，2021 年，Yu 等演示了用于動態(tài)偏振轉(zhuǎn)換的可電調(diào)諧超表面，實現(xiàn)了對于線偏振光90°的快速可逆偏振旋轉(zhuǎn)。此外，還展示了動態(tài)全息和可獨立控制的多像素的全息圖像生成[144]。除了基于LC 實現(xiàn)電調(diào)，2021 年，Kaissner 等提出了一種在可見光頻率下電化學(xué)控制的超表面，使用導(dǎo)電聚合物聚苯胺(Polyaniline，PANI)局部共軛在金納米棒上，以主動控制超表面的相位分布。通過控制電化學(xué)過程中亞波長尺寸的PANI 生長，可以原位監(jiān)測和優(yōu)化超表面的光學(xué)響應(yīng)，實現(xiàn)了具有良好開關(guān)性能的可切換全息圖像重建[145]。

不同于可見光波段，研究人員在微波波段和THz 波段提出了可編程單元結(jié)構(gòu)的全息圖像重建方案。2017 年，Li 等通過1 位編碼超表面在微波波段實現(xiàn)了可編程的全息圖像重建。在超表面的單元結(jié)構(gòu)中加入一個二極管，通過在二極管上施加不同的偏置電壓來控制每個單元結(jié)構(gòu)的散射。結(jié)合現(xiàn)場可編程門陣列(field programmable gate array，F(xiàn)PGA)可以實時生成多個所需的全息圖像[146]。2020 年，Venkatesh 等展示了基于CMOS 的芯片陣列來創(chuàng)建大規(guī)模可編程超表面，開發(fā)了一個由576 個單元結(jié)構(gòu)組成的2×2 芯片陣列，每個單元結(jié)構(gòu)都可單獨尋址，并可在GHz 速度下通過8 位控制進(jìn)行數(shù)字編程。該超表面可以實現(xiàn)振幅和相位調(diào)制、約25 dB 的振幅調(diào)制深度、±30°的動態(tài)波束生成、多波束生成和太赫茲波段的可編程全息投影[147]。

4.2.6 激光調(diào)制和熱調(diào)制

通過激光作用于超表面也可實現(xiàn)主動式可重構(gòu)的全息圖像重建。2015 年，Li 等通過單個飛秒激光脈沖還原氧化石墨烯進(jìn)行亞波長級多級光學(xué)折射率調(diào)制，實現(xiàn)了一次寫入的全息圖，用于廣角和全彩色3D 圖像，如圖10(c)所示。由于飛秒激光脈沖沒有累積加熱效應(yīng)，因此無熱光還原反應(yīng)可以限制在衍射限制區(qū)域內(nèi)。此外，通過精確控制激光輻照度，可以獲得氧化石墨烯的可逆還原和氧化，實現(xiàn)主動式調(diào)節(jié)超表面全息[148]。

圖10 主動式超表面全息。(a) 基于對環(huán)境敏感的MIM 結(jié)構(gòu)的可切換超表面全息術(shù)[138]，比例尺：40 μm；(b) 用于光投影顯示的電控數(shù)字超表面設(shè)備[143]；(c) 通過飛秒激光脈沖還原氧化石墨烯進(jìn)行折射率調(diào)制以實現(xiàn)寬視場角3D 全息圖[148]Fig.10 Active meta-holography.(a) Switchable meta-holographic device based on environmentally sensitive MIM structures[138],scale bar: 40 μm;(b) Electronically controlled digital metasurface for optical projection display[143];(c) Refractive index modulation by femtosecond laser pulse reduction of to achieve wide-FOV 3D holograms[148]

熱收縮形狀記憶聚合物(Shape memory polymers，SMPs)是一種在熱、光、磁或超聲波等外部刺激下可以改變其形狀的刺激響應(yīng)材料。基于此，2021 年，Wang 等利用空間調(diào)制飛秒激光脈沖在SMPs 上制作了四階振幅調(diào)制超表面，通過加熱觸發(fā)SMPs 的形狀恢復(fù)使得微坑像素收縮，改變像素對光的透過率，進(jìn)而改變超表面所編碼的振幅分布，實現(xiàn)全息圖像的動態(tài)切換和信息解密，實驗展示了全息圖像從“憤怒的臉”到“笑臉”的變化以及從原始圖像“888”對“790”的解密[149]。

5 超表面制造方法

由一系列人工亞波長單元結(jié)構(gòu)組成的超表面可以對光的振幅、相位、偏振、波長等各種特性實現(xiàn)高自由度的任意調(diào)控，但各種功能的精準(zhǔn)實現(xiàn)對單元結(jié)構(gòu)的幾何尺寸、形貌結(jié)構(gòu)、周期距離等參數(shù)提出了苛刻的要求，針對于此，研究者們提出了多種制造方法，以適應(yīng)不同場景的需要[12,150]。目前大多數(shù)超表面器件都是基于電子束曝光(EBL)和聚焦離子束(FIB)來生產(chǎn)制造的，這兩種方法具有加工精度高、適用材料范圍廣、自由度高等優(yōu)點，但同樣也具有產(chǎn)率小、加工速度慢等缺點，只適用于實驗室階段的小批量原理驗證，無法滿足工業(yè)界的大規(guī)模批量生產(chǎn)的需求。針對于此，研究者提出光刻、納米壓印(nanoimprint lithography，NIL)技術(shù)來實現(xiàn)批量化生產(chǎn)，有利于超表面真正落地于實際應(yīng)用。此外，TPP 激光直寫技術(shù)作為一種微納尺度的真三維加工方法，也為制造超表面提供了一種新的解決方案。

5.1 電子束曝光

EBL 是利用聚焦的電子束對樣品表面的抗蝕劑進(jìn)行曝光，若為正性抗蝕劑，被曝光的區(qū)域在后續(xù)顯影中會被溶解；若為負(fù)性抗蝕劑，則未被曝光的區(qū)域在后續(xù)顯影中會被溶解，如圖11(a)所示?；诖?，完成圖案化結(jié)構(gòu)的制備。對于超表面，目前的抗蝕劑一般無法直接作為單元結(jié)構(gòu)的材料，因此需要結(jié)合其他工藝來制備超表面圖案化結(jié)構(gòu)：剝離(lift-off)、刻蝕(etching)和原子層沉積(ALD)。得益于EBL 技術(shù)高分辨率、高自由度的特點，該技術(shù)在超表面的制造加工流程中應(yīng)用的最為廣泛。特別地，EBL 在擁有高設(shè)計自由度、高集成度、多功能的多層超表面的制造中扮演著重要的角色[151-153]。此外，研究人員還報道了一種冰輔助的EBL 技術(shù)，利用冰代替抗蝕劑，具有無污染、工藝簡單等特點。加工始于冰的氣相沉積，結(jié)束于冰的升華，成功在光纖端面上制造了等離子體納米盤陣列[154]。

圖11 光學(xué)超表面微納制造方法。(a) 電子束曝光；(b) 聚焦離子束；(c) 光刻；(d) 等離子體腔光刻；(e) 納米壓??；(f) 雙光子聚合激光直寫技術(shù)Fig.11 Micro-nano fabrication technologies for optical metasurfaces (a) Electron beam lithography;(b) Focused ion beam;(c) Photolithography;(d) Plasmonic cavity lithography;(e) Nanoimprint lithography;(f) Two-photon polymerization laser direct writing

EBL 結(jié)合剝離的工藝方法主要用來制造由金屬等離子體陣列組成的超表面，制造流程為：①在基底表面均勻旋涂一層正性抗蝕劑；② 利用EBL 曝光顯影抗蝕劑，得到與所設(shè)計超表面形狀互補的圖案化結(jié)構(gòu)；③利用蒸發(fā)或濺射的工藝在樣品表面沉積金屬薄膜；④ 將抗蝕劑及上方的金屬剝離，得到超表面結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步地，2016 年，Chen 等提出了一種“Sketch and peel”方法，其關(guān)鍵思想是僅暴露目標(biāo)結(jié)構(gòu)的輪廓，并通過選擇性剝離輪廓外部和頂部的金屬層來填充中心區(qū)域。在制造過程中，在結(jié)構(gòu)足夠大的情況下，有效曝光面積將減少數(shù)百倍，因此可以最小化總?cè)肷潆娮?，緩解鄰近效?yīng)，同時實現(xiàn)了約15 nm的金屬結(jié)構(gòu)特征尺寸[155]。由于金屬固有的高損耗問題，不利于其在可見光波段的進(jìn)一步應(yīng)用，雖然利用反射式結(jié)構(gòu)可以提高超表面的調(diào)制效率，但存在工藝復(fù)雜、光路受限等限制。以TiO2、Si3N4、GaN、Si等材料為代表的電介質(zhì)材料超表面依靠相對較高的折射率、低吸收系數(shù)等優(yōu)勢，在可見光和近紅外波段得到了廣泛的應(yīng)用，而刻蝕和ALD 工藝為加工這種電介質(zhì)材料提供了解決思路。EBL 結(jié)合刻蝕的制造流程為：①在基底表面沉積一層電介質(zhì)材料，層厚與所設(shè)計的單元結(jié)構(gòu)厚度相等；② 在電介質(zhì)層上方均勻旋涂一層正性抗蝕劑；③利用上面提到的EBL 結(jié)合剝離的方法在電介質(zhì)材料上制備一層掩膜；④ 通過反應(yīng)離子刻蝕 (reactive ion etching，RIE)或電感耦合等離子刻蝕(inductively coupled plasma，ICP)等干法刻蝕方法，刻蝕掉非掩膜覆蓋的電介質(zhì)材料，完成超表面的加工。但是這種刻蝕方法較為復(fù)雜，需要不斷迭代改善多種工藝參數(shù)才能得到理想的加工效果。研究者們提出了一種EBL 結(jié)合ALD 的加工方法，制造流程為：①在基底表面均勻旋涂一層與單元結(jié)構(gòu)厚度相等的正性抗蝕劑；② 利用EBL 對抗蝕劑進(jìn)行曝光顯影，得到與所設(shè)計超表面形狀互補的圖案化結(jié)構(gòu)；③通過ALD 技術(shù)填充電介質(zhì)材料；④ 利用刻蝕技術(shù)去除上層多余的電介質(zhì)材料；⑤ 去除掉剩余的抗蝕劑，得到組成超表面的單元結(jié)構(gòu)。

5.2 聚焦離子束

FIB 系統(tǒng)的原理與掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)十分類似，只是將電子束換成了離子束，如圖11(b)所示。制造流程為：①通過磁控濺射等工藝在基底上鍍膜；② 利用鎵離子(Ga+)束轟擊膜表面去除相應(yīng)材料，通過精確控制離子束作用的位置實現(xiàn)圖案化單元結(jié)構(gòu)的制備。FIB 具有無材料選擇性、工藝簡單、自由度高等優(yōu)點。但同時由于Ga+束直徑比電子束要大，因此分辨率較低，且加工速度慢、可加工尺寸小、成本高，這不利于加工大面積的超表面，限制了FIB 系統(tǒng)的進(jìn)一步應(yīng)用。2016 年，Chen 等將“Sketch and peel”方法與FIB 結(jié)合，能夠快速制造任意等離子體單元結(jié)構(gòu)。圖案加工具體流程為：①在襯底上蒸發(fā)金屬；② 利用FIB 技術(shù)“Sketch”目標(biāo)圖案的輪廓；③將透明膠帶粘附在金屬表面上，將多余的金屬從基底表面剝離，從而得到目標(biāo)結(jié)構(gòu)[156]。

5.3 光刻和納米壓印

上述提到的EBL 和FIB 技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各類超表面的加工，對于實驗室原理驗證階段，這兩種方法具有加工精度高、無材料選擇性等優(yōu)點。但它們并不適用超表面的工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)，原因是它們的加工速度太慢、一次性加工尺寸太小。針對于此，研究者們提出了兩種解決方案：光刻和NIL。

光刻作為半導(dǎo)體制造領(lǐng)域的一項成熟技術(shù)，也同樣適用于超表面的加工，基本原理是利用紫外光將圖案從掩膜版轉(zhuǎn)移到基底上的光刻膠里，具有產(chǎn)量大、一致性高等優(yōu)點，如圖11(c)所示。2018 年，She 等利用步進(jìn)光刻機實現(xiàn)了厘米量級a-Si (amorphous silicon)超透鏡的規(guī)?；圃?，并且提出了一種可以減小3 個數(shù)量級的超表面版圖壓縮算法。該制造過程具體表述為：①將a-Si、光刻膠和對比度增強材料依次沉積在晶片襯底上；② 結(jié)合掩膜版投影超表面的圖案化結(jié)構(gòu)，通過重復(fù)曝光和步進(jìn)晶片的方法實現(xiàn)快速復(fù)制；③利用RIE 將圖案轉(zhuǎn)移到a-Si 層；④ 去除殘留的抗蝕劑得到超表面陣列；⑤ 切割晶片獲得多個超表面器件[157]。然而光刻受到光學(xué)衍射極限的限制，通常需要深紫外光或者極紫外光以實現(xiàn)小特征尺寸線寬，這極大地增加了成本和加工復(fù)雜性。2015 年，Luo 等提出一種表面等離子體成像光刻方法，通過引入反射等離子體透鏡來放大和補償倏逝波，從而產(chǎn)生具有高保真度、高對比度和大深度的納米圖案化結(jié)構(gòu)，演示了幾何尺寸為40 nm×120 nm 的納米掩膜圖案在抗蝕劑中生成，并通過刻蝕轉(zhuǎn)移到金屬層中，最終制造出具有良好聚焦性能的超透鏡器件[158]。進(jìn)一步地，2017 年，Liu 等提出了一種等離子體腔光刻技術(shù)，光刻系統(tǒng)由Cr 掩膜和銀-光刻膠-銀等離子體腔組成，腔體可以有效放大倏逝波并調(diào)制成像平面上的電場分量，并演示了一種超表面全息器件的制造與表征[159]，如圖11(d)所示。2018 年，Pu 等通過引入反射等離子體透鏡來放大和補償倏逝波，形成懸鏈線光場。通過利用兩個相反圓偏振光的干涉，首次提出了一種簡單的非均勻超表面制造方法，打破了傳統(tǒng)干涉光刻的限制[160]。

NIL 是一種利用簡單的機械變形來制造單元結(jié)構(gòu)的技術(shù)，將圖案化模具壓入聚合物材料制成的樹脂中，從而將納米圖案轉(zhuǎn)移到樹脂中[161]，如圖11(e)所示。傳統(tǒng)的NIL 分為兩種：①熱NIL，當(dāng)模板壓在樹脂后，用先加熱再冷卻的方式固化聚合物涂層并分離模板，納米圖案就轉(zhuǎn)移到了聚合物層，具有工藝簡單的特點；② 紫外NIL，使用液態(tài)樹脂旋涂在基底上，基于對紫外光透明的模板壓印樹脂，接著利用紫外線固化樹脂，實現(xiàn)納米圖案的打印。由于系統(tǒng)簡單且響應(yīng)時間快，因此通常具有更高的生產(chǎn)率。NIL 方法可以廣泛應(yīng)用于各種材料以制造超表面：金[162]、p-Si(Polysilicon)[163]、鈣鈦礦[164]等，還具有分辨率高、產(chǎn)量大、成本低等優(yōu)勢。

5.4 雙光子聚合激光直寫技術(shù)

TPP 激光直寫作為一種高分辨率、熱影響區(qū)小、真三維的加工技術(shù)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于超表面、微納機器人、細(xì)胞支架等領(lǐng)域。該方法基于雙光子聚合效應(yīng)，即超快激光被高NA 物鏡緊聚焦到光刻膠內(nèi)部，當(dāng)激光強度高于一定閾值時，光刻膠在焦點處發(fā)生雙光子吸收效應(yīng)，產(chǎn)生自由基，當(dāng)自由基濃度大于一定閾值時，單體吸收自由基聚合成鏈并固化，通過位移臺移動樣品或振鏡掃描的方式實現(xiàn)大面積加工，如圖11(f)所示。由于雙光子吸收是一種非線性效應(yīng)，只在小于緊聚焦焦點艾里斑的尺度內(nèi)發(fā)生，可以實現(xiàn)超越衍射極限的微結(jié)構(gòu)加工精度。2017 年，F(xiàn)aniayeu等針對亞微米量級的三維螺旋超表面結(jié)構(gòu)難加工的問題，提出了利用TPP 激光直寫技術(shù)制造結(jié)構(gòu)模板，結(jié)合濺射的方法實現(xiàn)單元結(jié)構(gòu)的金屬化，快速制造出在6 μm～11 μm 波段內(nèi)吸收率為80%的完美吸收體超表面[165]。2020 年，Ren 等展示了一種OAM 復(fù)用全息術(shù)，利用高度變化的幾何相位單元結(jié)構(gòu)同時實現(xiàn)了振幅和相位調(diào)制。由于EBL 等方法很難做到不同高度單元結(jié)構(gòu)的高精度制造，Ren 等采用TPP 技術(shù)直寫聚合物材料，制造了長度780 nm，寬度390 nm，高度3.4 μm～4.45 μm 的幾何相位單元結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了64 階復(fù)振幅調(diào)制[99]。2020 年，Balli 等使用TPP 技術(shù)制造了一種相位板和超透鏡結(jié)合的混合消色差透鏡，在1000 nm～1800 nm 的工作帶寬內(nèi)實現(xiàn)了大于60%的平均聚焦效率。此外，基于TPP 技術(shù)的真三維加工能力，研究人員還展示了一種相位板-空氣-超透鏡的多層超表面結(jié)構(gòu)，在保留寬帶消色差功能的前提下實現(xiàn)了更高的NA[166]。

6 總結(jié)及展望

綜上，本文簡要介紹了超表面全息器件的基本設(shè)計流程，重點描述了靜態(tài)超表面全息器件的調(diào)制方式和動態(tài)超表面全息的實現(xiàn)方式，最后介紹了超表面器件的不同規(guī)模尺度的制造方法。全方位地展示了超表面全息器件從設(shè)計、原理、發(fā)展和制造等各個方面，希望為想要進(jìn)入該領(lǐng)域的研究人員和學(xué)習(xí)者提供一個該領(lǐng)域全貌的概覽。進(jìn)一步地，基于超表面全息器件可以實現(xiàn)單色靜態(tài)全息顯示、彩色全息顯示、動態(tài)流暢全息顯示、及其他功能化應(yīng)用，如表1～表4 所示，表中分別總結(jié)了這幾種典型應(yīng)用場景的代表性工作及其關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。

表2 彩色全息顯示代表性工作Table 2 Representative works of color holographic display

表3 動態(tài)流暢全息顯示代表性工作Table 3 Representative works of dynamic smooth holographic display

表4 其他功能化應(yīng)用的代表性工作Table 4 Representative works of other functionalized applications

雖然超表面全息器件在光場調(diào)控能力、視場角方面遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)全息器件，但是目前仍然存在一些挑戰(zhàn)，本文從應(yīng)用和設(shè)計制造兩方面提出對該領(lǐng)域未來發(fā)展的展望。應(yīng)用方面：探索實時動態(tài)真三維彩色全息顯示的方案；尋找復(fù)用超表面在全息防偽、加密解密、傳感顯示等功能的落地應(yīng)用。設(shè)計制造方面：發(fā)展先進(jìn)設(shè)計算法；開發(fā)大規(guī)模、低成本、高精度的制造工藝。

1) 探索實時動態(tài)真三維彩色全息顯示的方案。全息顯示在理論上可以準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)三維目標(biāo)的強度和深度，能提供所有種類的深度線索，被認(rèn)為是三維顯示的終極實現(xiàn)方式[167]。2021 年，Zhang 等利用全彩超像素編碼技術(shù)和高幀率DMD 器件，通過人眼的視覺暫留效應(yīng)和高速光場調(diào)制來擴(kuò)展空間帶寬積（spacebandwidth product,SBP），實現(xiàn)了全彩動態(tài)數(shù)字全息顯示[168]。相比于傳統(tǒng)的光場調(diào)控器件：SLM、DMD 等，超表面具有大視場角、無高階衍射、高空間分辨率、低噪聲等優(yōu)點?；谄鋸姶蟮恼穹⑾辔?、偏振、波長調(diào)控能力，超表面全息成為實現(xiàn)實時動態(tài)真三維顯示的一種具有競爭力的方案。目前已經(jīng)基于復(fù)振幅調(diào)制、信息復(fù)用、主動調(diào)控等方法實現(xiàn)了可控的多信道切換三維彩色全息顯示效果，但是仍存在低刷新速率、低幀率、光路復(fù)雜等缺點，限制了超表面全息的實際應(yīng)用，因此需要探索基于超表面的實時動態(tài)真三維彩色全息顯示方案。目前已經(jīng)有研究人員提出了利用DMD 結(jié)合超表面空間信道復(fù)用實現(xiàn)大幀率、

高幀數(shù)的全息顯示[102]，但還不是真正的“動態(tài)”顯示。以光控或電控的形式在保留超表面的優(yōu)勢特點情況下實現(xiàn)單像素、高速、任意光場調(diào)控是超表面研究領(lǐng)域不斷追求的目標(biāo)，這還需要材料、制造技術(shù)、光電設(shè)計等方面研究人員的共同努力。

2) 尋找復(fù)用超表面在全息防偽、加密解密、傳感顯示等功能的落地應(yīng)用。超表面多路復(fù)用技術(shù)的研究已經(jīng)得到了不斷的拓展和深入，信息容量得以不斷提高，但是復(fù)用技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)的信息容量是有限的，并且會隨著容量的增加而導(dǎo)致設(shè)計高復(fù)雜度和大串?dāng)_，不利于實際應(yīng)用。與其盲目追求信息容量的擴(kuò)大，不如積極尋找能夠合理利用有限信息容量的場合，提高信息傳遞過程中的準(zhǔn)確度。得益于超表面全息獨特的調(diào)制解調(diào)能力，目前已經(jīng)展示了多種光學(xué)加密[55-56,169]的方案，但是這些方案僅僅停留在實驗室演示階段，未面向?qū)嶋H的市場應(yīng)用，結(jié)合大規(guī)模的微納制造技術(shù)和優(yōu)化設(shè)計，預(yù)計這些超表面器件將在專業(yè)防偽領(lǐng)域有落地化應(yīng)用。

3) 發(fā)展先進(jìn)設(shè)計算法。傳統(tǒng)超表面設(shè)計方法是基于正向設(shè)計的思路：①利用GS 等迭代算法計算出所需的相位分布圖；② 基于CST MICROWAVE STUDIO、Ansys Lumerical FDTD、COMSOL 等軟件建立單元結(jié)構(gòu)庫；③結(jié)合相位分布和單元結(jié)構(gòu)全模仿真驗證設(shè)計；④ 制造超表面并測試。這種正向設(shè)計存在設(shè)計復(fù)雜、功能單一、運行效率低等缺點。得益于高性能CPU 和GPU 的強大計算能力，開發(fā)新型機器學(xué)習(xí)、人工智能[170-171]等算法可以有效拓展設(shè)計思路、豐富全息功能、簡化設(shè)計流程。同時，拓?fù)鋬?yōu)化算法[28-29,172]可以將傳統(tǒng)規(guī)則形狀的單元結(jié)構(gòu)拓展成不規(guī)則幾何形狀，是調(diào)控單元結(jié)構(gòu)電磁響應(yīng)的新方法。因此開發(fā)具有普適性的先進(jìn)設(shè)計算法，可以進(jìn)一步推動超表面全息領(lǐng)域的發(fā)展。

4) 開發(fā)大規(guī)模、低成本、高精度的制造工藝。傳統(tǒng)的EBL、FIB 等加工工藝具有成本高、耗時長等限制，這不利于超表面器件的商業(yè)化應(yīng)用。與傳統(tǒng)CMOS 工藝兼容的光刻和NIL 為實現(xiàn)大規(guī)模制造超表面提供了解決方案，但仍需朝著降低成本、提高精度的方向繼續(xù)探索。與產(chǎn)業(yè)界聯(lián)合是一條可行的道路，哈佛大學(xué)Capasso 教授領(lǐng)導(dǎo)的Metalenz 公司在意法半導(dǎo)體12 英寸(inch)(1 inch=2.54 cm)晶圓代工廠內(nèi)實現(xiàn)批量生產(chǎn)超透鏡，并應(yīng)用于意法半導(dǎo)體FlightSense 系列ToF 測距傳感器VL53L8。歐洲NIL Technology 公司目前已建立一個完整的超透鏡生產(chǎn)線，具有全流程的設(shè)計、制作、測試和表征能力。國內(nèi)邁塔蘭斯(MetalenX)公司所推出的熱成像超透鏡已實現(xiàn)量產(chǎn)，未來全系列超透鏡將在國內(nèi)自主生產(chǎn)。山河光電等公司也陸續(xù)開展了超表面產(chǎn)業(yè)化工作，發(fā)展迅速。同時，具有高設(shè)計自由度、高集成度、多功能等特點的多層超表面在全息顯示領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用潛力，然而目前適用于多層超表面的制造工藝存在工藝復(fù)雜、良品率低、對準(zhǔn)難度高等缺陷，因此急需開發(fā)新型多層超表面制造方法為超表面全息領(lǐng)域提供新的解決思路。除此之外，基于TPP 激光直寫技術(shù)的真三維加工能力可以在一些特殊超表面制造領(lǐng)域找到應(yīng)用：光纖端面、片上集成、自由曲面等。

超表面的概念自提出以來，已經(jīng)經(jīng)過了十多年的發(fā)展，較為簡單常見的光學(xué)功能應(yīng)用已經(jīng)都可以由超表面來實現(xiàn)，但是其制造、效率、動態(tài)實現(xiàn)等方面還有待開發(fā)完善，這是所有超表面器件邁向?qū)嵱玫年P(guān)鍵。傳統(tǒng)的CGH 技術(shù)一般常用于防偽、干涉檢測等方面，雖然具有理想的三維顯示效果，但是空間帶寬積小、視場角小、調(diào)制信息量丟失等問題導(dǎo)致在三維顯示實際應(yīng)用中尚未得到推廣。利用超表面器件可以解決以上的部分問題，并有望在制造技術(shù)進(jìn)一步向前邁進(jìn)之后，為未來6G 時代的圖像傳輸從2D 到3D 的跨越提供強大的技術(shù)和器件支撐。