1、基于微结构的光场调控及光学器件设计的研究近年来可分为金属超表面——金属介质融合型超表面——介质超表面三个阶段。
在技术萌芽期，基于金属材料的超表面凭借其优异的电磁操控能力成为研究焦点。贵金属（如金、银）因其表面等离激元共振特性，赋予了这类超表面卓越的光场调控能力。通过精密调控金属纳米天线的几何参数（形貌、尺寸、排布），研究者成功实现了对光波振幅、相位及偏振态的多维度操控，衍生出异常折射/透射、光束整形、全息成像等创新应用。2011
年，哈佛大学 Cappaso 团队通过设计具有线性相位梯度的硅基金属天线阵列，V 型天线单元通过8种相位梯度配置实现了 2π
全相位覆盖，首次验证了相位梯度超表面可突破传统衍射极限调控波前 [1]。随着应用需求向宽谱带、高效率及多功能集成方向演进，纯金属体系逐渐暴露损耗高、带宽受限等瓶颈，促使金属——介质复合型超表面应运而生。这类混合结构巧妙结合了金属的强局域场增强与介质材料的低损耗传输优势，通过材料协同效应显著提升了器件效率与工作带宽。2019
年，中国科学院大学任远团队研发的 MDM 渔网结构超表面即为典型代表：通过引入磁响应机制，在可见光波段构建多重电磁共振模式，最终研制出具有偏振可调光谱特性的新型光学器件，为智能滤光与精密传感开辟了新途径 [2]。近年来，全介质超表面正成为前沿研究热点。这类完全基于高折射率电介质（如硅、二氧化钛）的体系不仅规避了金属的欧姆损耗问题，更展现出宽谱工作、制备兼容性强等突出优势。其核心机理依赖介质纳米结构的米氏共振与传播相位调控，为光子集成、非线性光学等尖端领域提供了理想平台。奠基性工作可追溯至 2005 年 Arbabi 团队提出的高对比度介质超表面平台，通过椭圆柱阵列实现了偏振与相位的精准调控，并成功构建透镜、波片等基础元件 [3]。2016
年，Khorasaninejad 团队采用二氧化钛纳米柱阵列，通过直径调谐实现 RGB 三基色波段的高效超透镜，其中 405 nm
波长下数值孔径达 0.85，聚焦效率突破 90%，创下亚波长厚度（<600 nm）器件的性能纪录 [4]。
2、我们将从两个方面分析基于微结构的光场调控及光学器件设计的国内外研究现状。
（1）超表面器件近年来应用广泛，发展迅速。
超表面器件凭借其对光波波前的调控能力，可用于透镜聚焦 [5,6,7,8]、涡旋光束产生 [9,10]
和偏振态检测等领域。2020 年，Zhao 等人设计了一种在轴向能够实现焦点延长的双焦点超表面聚焦透镜，改变二氧化钛纳米微元的长宽比和旋转角度，对传输相位与几何相位进行同时调制，实现对一组正交偏振态入射光的分别独立控制 [11]。光学涡旋具有螺旋相位波前，它与物质相互作用时会提供额外的轨道角动量 [12]。Yu NF
等人将尺寸形状各不相同的八种纳米天线按区排列，每一种天线对入射光的振幅调制相同，但调制的相位信息各不相同，相位信息从 0
变化到 2π，且它们之间的相位间隔都为 π/4。仿真结果中环形的强度分布和干涉图样均证明产生了光学涡旋[13]。2016
年 Mehmood M Q 等人设计了一组由纳米孔阵列组成的光学涡旋发生器 [14]，利用超表面引起的 P-B
相移将透镜与涡旋发生器组合起来，设计成了能够产生多个阶数不同的聚焦涡旋，由此实现了在空间上复用的光学涡旋。它由多个区域的纳米结构构成，每个区域可把入射的圆偏振光转化为其交叉偏振光，并在不同传输距离处形成拓扑荷数不同的光学涡旋，同时改变入射场的偏振态或者金属纳米孔的旋转角可以控制光学涡旋 TC
的值。但金属超表面无法避免欧姆损耗。Nir S 等人提出了纳米圆孔组成的等离涡旋发生器（Plasmonic Vortex Generator—PVG）在圆偏振照明下产生自旋依赖的等离涡旋 [15]。Zeng J
和 Kim H 等人设计的分裂的环形天线 [16] 和分裂的弯曲狭缝 [17]
组成的 PVG 在圆偏振光的照射下产生高纯度涡旋光束。Garoli D 等人提出的由螺旋形光栅和金属——介质——金属纳米孔的组合在圆偏振光照明下产生的等离涡旋能够传播到远场 [18]。Shen Z
和 ChoS W 等人则利用涡旋光束和径向偏振光照明来产生等离涡旋 [19,20]。然而，线偏振光由于空间分布的非对称性很少用于涡旋的产生。即使选用线偏振光照明，也仅在特殊的偏振方向上方可产生光学涡旋。Yuanmu Y
等人基于纳米天线阵列提出了一种光学涡旋发生器，它由具有方位角变化的硅材料阵列组成，它在水平线偏振光照明产生了光学涡旋 [21]。Chen C F
等人提出了沿着阿基米德螺旋排列的纳米十字孔组成的光学涡旋发生器，它只有当入射光的偏振方向为 45° 时才能产生光学涡旋 [22]。Huang F
提出的等离透镜也只能在几个特殊偏振下产生等离涡旋，并且涡旋的 TC 数随着入射偏振而变化 [23]。这些涡旋发生器对线偏振光的依赖性在一定程度上限制了它们的应用。
（2）目前多数偏振检测器件仅能检测圆偏振光的旋向，对全偏振态检测的探索尚不全面。
2010 年，Chen 等人在金属膜上刻蚀了微米尺度的螺旋缝 [24]，该结构在左旋和右旋圆偏振光照明下透射强度分布不同，左旋圆偏振光透过螺旋缝后会形成一个明亮的聚焦斑，而右旋圆偏振光透过微结构后强度呈环状分布。因此根据圆偏振光透过微结构后形成的场分布便可以判断出圆偏振光的旋转方向。可以检测出圆偏振光的旋转方向。2012
年，Afshinmanesh 等人组合亚波长缝、同轴孔和螺旋凹槽设计出了一个能够同时分辨线偏振光和圆偏振光的硅基光电探测微结构 [25]。2014
年，Xie 等人利用四个矩形孔组合成了一个微型等离子偏振分析器，它可以通过测量出射光的斯托克斯参量来检测入射线偏振光和圆偏振光 [26]。但这些工作中并不能完成全偏振态的检测。设计全偏振态检测器件迫在眉睫。
参考文献
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