光学超曲面在Li-Fi和激光雷达上进一步发展

Caltech

一种新的可调智能表面可以将单个光脉冲转换为多个光束，每个光束都指向不同的方向。原理验证的发展为通信、成像、传感和医学领域的一系列创新打开了大门。

这项研究来自加州理工学院应用物理学和材料科学教授Harry Atwater的实验室，由于一种称为超表面的纳米工程材料，这项研究成为可能（https://spectrum.ieee.org/metasurface-optics-for-better-cellphone-cameras-and-3d-displays）。Atwater团队的研究生Prachi Thureja说：“这些是人工设计的表面，基本上由纳米结构图案组成。所以这是一系列纳米结构，每个纳米结构基本上都能让我们局部控制光的特性。”

该表面可以每秒重新配置数百万次，以改变其局部控制光的方式。这足够快，可以操纵和重定向光，用于光数据传输中的应用，如光空间通信和Li-Fi，以及激光雷达。

香港城市大学电气工程副教授Alex M.H.Wong表示：“（超表面）在控制光线方面带来了前所未有的自由。能够做到这一点意味着可以将现有的无线技术迁移到光学领域。Li-Fi和LIDAR就是最好的例子。”

超曲面消除了对透镜和镜子的需求

操纵和重定向光束通常涉及一系列传统透镜和镜子。这些透镜和镜子的尺寸可能很微小，但它们仍然使用像斯涅尔定律这样的材料的光学特性（https://en.wikipedia.org/wiki/Snell%27s_law），该定律描述了波阵面通过不同材料的过程，以及波阵面如何根据材料本身的特性重新定向或折射。

相比之下，这项新工作提供了通过半导体材料电操纵材料光学特性的前景。结合纳米级镜元件，可以使扁平的微观设备表现得像透镜一样，而不需要弯曲或弯曲的玻璃长度。新的超表面的光学特性可以使用电信号每秒切换数百万次。

“与我们的设备不同的是，通过在设备上施加不同的电压，我们可以改变镜子发出的光的轮廓，即使在物理上它没有移动，”论文合著者Jared Sisler说，他也是Atwater小组的研究生。“然后我们可以像控制电子可编程镜子一样控制光线。”

该器件本身是一个每侧尺寸为120微米的芯片，通过在氧化铟锡半导体层中嵌入微小的金天线表面来实现其光操纵能力。操纵半导体两端的电压会改变材料弯曲光的能力，也称为折射率（https://en.wikipedia.org/wiki/Refractive_index）。在金镜元件的反射和半导体的可调折射能力之间，许多快速可调的光操纵成为可能。

Sisler说：“我认为使用固态超表面或光学设备在太空中引导光线并将其用于编码信息的整个想法 —— 从技术上讲，如果你能实现更高的调制率，你就可以发送更多的信息。但由于这是一个新的领域，我们设备的性能更多的是为了展示原理。”

超曲面开辟了许多新的可能性

Wong说，这一原理表明，在他所说的可能是近期超地表开发和发现的基础上，未来将出现一系列技术。Wong说：“超曲面可以是平的、超薄的、轻便的，同时它可以实现一系列弯曲的透镜通常实现的功能。”科学家们目前仍在探索超表面为我们提供的巨大可能性。

“随着纳米制造技术的进步，具有比波长小得多的小特征尺寸的元件现在可以可靠地制造，”Wong继续说道，“超表面的许多功能正在被例行演示，不仅有利于通信，还有成像、传感和医学等领域……我知道，除了学术界的兴趣外，工业界的各种参与者也非常感兴趣，并在推动这项技术走向商业化方面进行了大量投资。”