哈佛大学研发双层二氧化钛光学超表面

大约十年前，哈佛工程师首次展示了世界上首个可见光谱超表面——这种超薄平面器件表面布满了纳米级结构，能够精确控制光的行为。作为传统笨重光学元件的革命性替代品，如今的超表面技术已催生出从成像系统、增强现实到光谱学及通信领域的各类紧凑轻量多功能应用。

如今，哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院（SEAS）的研究人员通过开发双层超表面，在技术上更进一步。这种结构并非单层，而是由两层堆叠的二氧化钛纳米结构构成。在显微镜下，这种新器件犹如一片密集的阶梯状摩天大楼群。相关研究发表于《自然·通讯》期刊。

资深作者Federico Capasso表示："这是纳米技术领域的顶尖突破"，他是SEAS应用物理学Robert L. Wallace讲席教授兼电气工程Vinton Hayes高级研究员，"这一成果开启了结构化光的新维度，使我们能以前所未有的方式调控光的波长、相位和偏振等所有特性...标志着超表面研究突破表面局限，开辟了新方向。"

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从多个视图扫描独立双层超表面的电子显微镜图像

几个世纪以来，光学系统依赖笨重的玻璃或塑料曲面透镜来偏折和聚焦光线。过去十年由SEAS引领的超表面革命，开发出布满数百万微纳结构的超薄平面器件，能以纳米级精度操控光波。超透镜（metalens）便是典型例证：不同于传统透镜，超透镜可利用现有半导体工艺制造，为智能手机、相机和增强现实设备带来小型化集成光学系统。

自Capasso团队首次展示可偏折可见光的实用超透镜后，他们与哈佛技术发展办公室合作，通过技术授权创立了Metalenz公司。后续研发已展示其在内窥镜、人工眼和望远镜镜头等领域的广泛应用潜力。

但Capasso团队首创的单层纳米结构设计存在某些限制。例如，以往超表面需对光波的偏振（即电磁波振动方向）提出特定要求才能实现光调控。

论文共同第一作者、研究生Alfonso Palmieri解释道："此前已有许多关于双层超表面理论可能性的探讨，但真正的瓶颈在于制造工艺"。这项突破使人们可以设想新型多功能光学器件，例如单侧投射一种影像、另一侧显示完全不同画面的系统。

借助哈佛纳米系统中心设备，由前博士后研究员Ahmed Dorrah和Joon-Suh Park等组成的团队，开发出独立自支撑的双层超表面制造工艺。该结构两层结合牢固却互不产生化学影响。虽然多层级图案化在硅半导体领域已属常见，但在光学和超光学领域仍属前沿。

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独立式双层超表面的制造工艺

为展示器件性能，研究团队设计实验：利用双层超透镜对偏振光的作用，替代传统复杂的波片-反射镜系统。未来研究可扩展至更多层级，实现对光波其他特性的调控，例如覆盖整个可见光及近红外光谱的高效超宽带运作，为更复杂的光学功能打开大门。

相关链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-58205-7