对超构光学（meta-optics）的探索标志着光学技术演变中的一个关键篇章，并展现了在微观层面对光操控方式的范式转变。这段从概念架构到实际应用的非凡旅程，集中体现了物理学、材料科学和工程学的深度融合，预示着紧凑、高效光学系统的新时代即将到来。
这场技术革命的核心是超构材料（metamaterial）——一种人工构建、具有天然物质无法实现的独特性能的材料。这些材料为超构表面（metasurface）的发展奠定了基础，超构表面是二维（2D）超构材料的对应物，可在亚波长尺度上操控光，可对电磁波提供前所未有的操控。这种操控是通过设计超构透镜（metalens）来实现的，超构透镜是一种基于超构表面的平面光学元件，可以高精度地引导和聚焦光线。
超构表面
超构表面可以是有源或无源的。无源超构表面提供固定的功能——在光学系统中充当静态元件。相比之下，有源超构表面则迈出了关键的一步，具备可调谐、可重构和时变功能。这一关键创新可将多种功能嵌入到单层结构中，以精确操控光的偏振和轨迹。因此，体积庞大的光学系统现在可以被重新设计成极小的外形，这为此前传统光学硬件难以实现的新特性和应用打开了大门。
尽管超构材料和超构表面具有广阔的应用前景，但该技术目前主要在窄带而非宽带光谱范围内发挥作用。虽然在实现宽带能力方面取得了长足进步，但在效率、性能和大规模量产方面仍然存在挑战。尽管如此，窄带应用仍然十分活跃，并推动了自动驾驶汽车激光雷达（LiDAR）、三维（3D）传感和通用生物识别等领域的创新。
超构材料在电信、成像和传感技术领域的应用日益广泛，推动了全球超构材料市场的迅猛发展。这一增长得益于超构材料应用向汽车、航空航天与国防、消费电子和医疗保健等行业的扩展，主要行业参与者正积极探索这些可能性。
光学革命正在进行中
材料工程供应商Applied Materials公司正在重新定义光学元件。通过在300 mm的透明基底上制备蚀刻波导和平面近红外（NIR）透镜，该公司展示了超构材料在光学工程中的应用。这些元件具有轻薄、多功能以及与半导体纳米制造工艺兼容等特点，凸显了该领域的重大进展。能够在纳米尺度上操控光学元件，并在整个晶圆上实现高度均匀性，代表了光学制造领域的巨大飞跃。
三星先进技术研究院（SAIT）在利用超构表面开发尖端应用方面处于领先地位，如LiDAR——这是一项对自动驾驶、增强现实（AR）和虚拟现实（VR）以及手势感应至关重要的技术。LiDAR系统通过激光照射目标并分析反射光来测量距离，正在不断演进。向小型固态系统的转变体现了该行业朝着更鲁棒、更防震的解决方案发展的趋势。三星开发了一种新型固态LiDAR系统，该系统利用了基于氧化铟锡（ITO）的有源超构表面，在更远的距离提供了增强的扫描方法和更高的分辨率。
Metalenz是由哈佛大学（Harvard University）Federico Capasso教授团队分拆成立的公司，它体现了从学术研究到商业可行性的成功桥梁。该公司已在半导体代工厂中利用深紫外（DUV）光刻技术大规模量产超构表面。通过与意法半导体（ST）和联华电子（UMC）等公司合作，Metalenz推出了点阵投影仪和屡获殊荣的偏振成像系统（见图1）。这些创新不仅增强了智能手机和物联网设备中的3D感知能力，还在生物识别认证和机器视觉中引入了突破性应用，这标志着向紧凑型、多功能光学解决方案的重大飞跃。
图1 Metalenz的Polar ID生物识别成像系统（能够感知光的全偏振状态）
总部位于比利时的PlanOpSim成立于2019年，它使超构透镜和超构表面的设计和仿真变得更加便捷和高效。通过解决系统级集成和面积设计等关键瓶颈问题，他们提出了逆向设计和代理求解器等创新解决方案，显著减少了优化所需的时间和计算资源（见图2）。
图2 PlanOpSim用于设计超构光学的软件
总部位于奥地利的EV Group专注于半导体和纳米技术领域的制造设备和工艺解决方案，尤其是在纳米压印光刻（NIL）技术方面。他们提供了一种经济高效的方法来创建对超构材料和超构表面至关重要的纳米尺度图案。EV Group的全面UV-NIL产品线能够适应不同尺寸的基底，在促进这些先进材料的大规模量产方面发挥了重要作用。该公司通过SmartNIL技术，使得在晶圆尺度上制造纳米级柱体成为可能，这些柱体是超构表面的基本单元。这一技术为未来大规模、精确制造光学元件提供了必要工具。
总部位于加利福尼亚州、以电子设计自动化（EDA）著称的新思科技（Synopsys）拓展了其在光学领域的影响力，推出了一款代表超构透镜设计范式转变的工具。该工具具有全自动逆向设计功能，可简化新型超构透镜设计流程，使不同专业水平的设计师都能快速生成和优化超构透镜。Synopsys的软件解决方案不仅加快了设计周期，还降低了成本和物理空间要求，有助于将超构材料和超构表面集成到更多产品和技术中，为数百家公司试验超构光学铺平了道路。
图3 Synopsys的MetaOptic Designer优化的超构透镜布局
超构光学的创新领域揭示了理论物理、工程技术和前瞻性商业应用的激动人心的融合。从学术界到工业界，这一多学科的努力孕育了挑战光操控本质的技术，并有望重新定义人们与光学世界的互动。无论是通过为自动驾驶汽车开发紧凑、高效的LiDAR系统，为消费电子产品开发超构光学元件，还是为下一代光学设计研发开创性的软件解决方案，这些参与者都处于光学革命的最前沿。
超构光学的未来
随着这些技术的不断发展，它们不仅对现有技术提出了挑战，还为未来的光学系统提供了令人振奋的前景。未来，这些光学系统将不仅变得更加紧凑和高效，还将会具备超越当前想象的功能。随着该领域的持续发展，大规模量产和宽带能力障碍将会被克服，超构光学的潜在应用似乎是无限的，有望在未来数年重新定义光学技术的格局。
《光学和射频领域的超构材料和超构表面-2024版》
《光学和射频应用的超构材料-2024版》
