新型“虚拟”超表面有望成为未来成像领域的规则改变者

科学家开发出一种新型“虚拟”超表面，能够以传统透镜和光学元件无法实现的方式控制光。他们称，这种方法优于目前依赖超薄工程材料的现有技术。诺丁汉特伦特大学团队表示，这项研究将有助于充分优化超表面在多种实际应用中的潜力，并为纳米技术从物理平台向虚拟平台过渡铺平道路。

超表面的厚度比人类头发丝还要薄许多倍，可以弯折、聚焦光线，改变光的颜色并将其导向不同方向，这意味着它们可以在透镜、反射镜和滤光片等小型设备中取代笨重的光学元件。

尽管物理超表面功能强大，但其材料和尺寸是固定的——一旦制造完成，就无法改变形状，这可能会限制它们在实际技术中的用途。

这项发表在《Advanced Photonics Nexus》期刊上的研究展示了虚拟超表面的潜力，这种超表面在平面上使用模拟的二维光学图案，而非微小的物理颗粒。

该方法使用一种名为空间光调制器的设备，能够逐个像素地控制光线，在比眨眼还短的时间内改变其形状和功能。由于这些图案可编程且能瞬间改变，超表面可以在同一设备中执行多种不同的功能，包括混合颜色、将不可见的红外图像转化为可见光，或像透镜一样调节焦距。

研究人员认为，通过使用这种合成的超表面使材料变得“可调谐”，是将超表面从实验室推向新技术生产线的关键。尽管该方法仍需进一步研发，但研究团队表示，它能够惠及一系列技术领域，涵盖成像与显微术、量子光子学、传感、光束转向、半导体制造、电信以及全息术。

在这项新研究中，研究人员通过将不可见的红外信号转化为可见图像，并按需调节图像焦距，展示了该技术的潜力。传统的透镜和反射镜无法同时执行这两项功能。

与意大利布雷西亚大学和中国南开大学的研究人员合作，他们还实现了在任意焦距生成图像。传统的红外相机依赖昂贵的半导体传感器和独立的光学系统，而可编程的光模式能够将红外光转换为标准相机可捕捉的可见光波长。

诺丁汉特伦特大学科学与技术学院纳米技术、光学与光子学教授Mohsen Rahmani说：“在过去大约十年中，超表面作为更大体积光学元件的替代品被引入，并成为21世纪光子学革命的基石，尽管如此，其可调谐性一直受到极大限制，成为实验室中的瓶颈，制约了其全部潜力的发挥。这种新的模拟虚拟超表面类别可能成为游戏规则改变者。也许最好的类比是从宇宙到元宇宙的转变——在元宇宙这个三维数字世界中，存在逼真的空间，但它们并非真实存在。我们的虚拟超表面每20毫秒就能动态重塑一次，每次都能在小型设备中提供完全不同的功能。”

诺丁汉特伦特大学副教授Lei Xu说：“我们的虚拟超表面就像一个包含所有光学元件的虚拟工具箱。利用人工智能对虚拟超表面进行编程，使我们能够提供多模态功能，并在实际应用中释放巨大潜力。”

该研究的第一作者、诺丁汉特伦特大学研究员Ze Zheng博士补充道：“用虚拟超表面取代物理超表面，可以看作是从模拟光学元件向更灵活的数字平台转变。这种方法能够实现紧凑的光学系统，增强可编程性、多功能性并减少制造限制，为下一代显微镜、相机和成像设备提供了一条有前景的路径。”

相关链接：https://dx.doi.org/10.1117/1.apn.5.4.046024