光场调制技术在超快激光加工中的应用

光学超构表面以其在亚波长尺度下精确塑造光场的能力，开辟了设计高分辨率、多功能、超紧凑光学器件的新范式。立足于多维光场的视角，全面回顾了超构表面在推进下一代光学成像与显示系统方面的创新性思路与进展。

据报道，南京大学物理学院固体微结构物理国家重点实验室的科研团队结合相关智能算法，综述了超构表面在多维成像、全息显示以及这些技术交叉领域的应用，探讨了其在计算成像、超分辨成像、可调谐显示技术，以及与光学微操控和量子技术协同发展方面的潜力。最后，对超构表面技术在成像与显示领域的广泛应用前景及未来研究方向进行了展望。相关研究内容以“基于多维光场调控的超构表面先进成像与显示（特邀）”为题发表在《光学学报》期刊上。

超构表面成像与显示基础

光学成像与显示的精髓在于对光场进行精密调控的技术，反映在超构表面中，则需要通过设计每个单元结构来实现目标光场。以最具代表性的成像为例，通过在超构表面上编码光场聚焦的相位分布，就能将入射光会聚到衍射极限级别的尺寸。另一方面，超构显示技术的核心在于将通过计算获取的全息图的相位信息编码在超构表面上。这项研究从广义斯涅耳定律出发，理论分析聚焦相位的表达形式，推导出任意角度平面波经整形后聚焦到指定位置的通用相位，同时，简要介绍全息相位的计算原理及目前广泛使用的算法，这为显示功能的后续研究做了铺垫。

超构透镜设计：基于广义斯涅耳定律，通过在超构表面的不同介质界面处引入相位梯度引导光束产生多种光学响应，如聚焦光束、涡旋光束以及显示全息图案等。超表面的调控机制主要分为几种类别：共振相位、几何相位、传输相位与混合调控。共振相位与金属共振相关，通过调控纳米柱的不同结构尺寸来实现相位的灵活调控。几何相位的调制与纳米结构的转角存在线性关系，但会受到偏振手性的限制。传输相位的调控基于在介质材料纳米柱中累积的相位来实现，其相位值与纳米柱的折射率、占空比与高度正相关。除此之外，通过结合以上多种相位调制方法，实现了对于波长、偏振、振幅等多个光学维度的调控。通过改变设计参数，结合仿真软件的计算可以获得能够覆盖0~2π的相位延迟，再根据以上相位分布进行编码，完成聚焦超表面的设计。

图1 超表面成像与显示原理及机制

全息编码算法：传统的光学全息术需要复杂的干涉和记录系统以及相同参考光的波前重建系统，如图1（e）所示。随着计算机技术的发展，全息术中的波前信息可以通过数值方法实现，获取的全息图称为计算机生成全息图（CGH），该技术具有高效率和信息处理灵活的特点。生成CGH需要首先计算物波在全息图平面上的复数场或物平面上点的复振幅的离散傅里叶变换（DFT）。其次，利用DTF的离散样本进行编码，生成全息图；最后，利用光源激发该相位面，得到全息图的重建结果，如图1（f）所示。基于此方案，人们提出了许多优化方法来提高重建图像的质量，其中在超表面相位编码中最常用的方法是Gerchberg-Saxton（GS）算法，该方法可获得高质量的全息图。

优化算法

在自上而下设计超表面的过程中，首先正向预测输入超构表面所需要满足的目标相位，结合人工优化纳米结构的尺寸来实现超构表面的目标响应。这种“正向设计”需要计算多种纳米结构以构成庞大的相位库，非常耗费时间与计算资源，并且无法保证设计出来的结果为当下的最优排布。得益于计算机与人工智能领域的发展与长足进步，人们转而使用“逆向设计”的思路来实现某些正向计算无法轻松获得的最