精确控制激光的各种特性的能力对于我们今天使用的许多技术至关重要，从VR耳机到现在用于生物医学研究的显微成像。来自哈佛大学约翰·A·保尔森工程与应用科学学院的研究人员开发了一种单一超表面，可以有效地调整激光的不同特性，包括波长，而无需额外的光学组件。该研究成果发表在Nature Communications上。

光的有效转化和整形对于科学和技术至关重要。如今，现代多功能光学器件需要多种功能，这在用散装光学器件实现时会导致复杂的系统。相比之下，在更换后者使用Metasurfaces时，可以实现紧凑、轻巧和定制的光学设备。Metasurfaces是人工平面超材料，其由亚波长间隔纳米结构阵列组成，通常称为Metaatoms，其可以在局部操纵光的幅度、相位和偏振，以实现各种光学功能，例如镜头、结构光、增强型摄像机和光学计算等。然而，电流方法的效率和角度范围以产生多功能超表面（在图1A-C中概括）是有限的，因此限制了广泛的应用。目前还没有在光束整形中具有亚表面灵活性的光学元件，这也实现了具有较大差的偏转角的不同功能。

▲图1. 广义的超表面概念

a-c. 局部超表面方法。可以通过将来自不同超表面的单元进行交错或利用傅立叶光学并将每个函数所需的幅度和相位分布相加在一起来创建多个函数。复振幅可以用琼斯矩阵代替以实现偏振控制（矩阵傅立叶光学）。由于其单位单元的局部性，这两种方法对于大偏转角的效率都很低。c. 局部超表面的亚波长晶胞图解。d. 将局部实现的相移与超原子的物理尺寸相关联的亚波长单位单元的传统超表面库的示例。e. 传统的超晶胞超表面基于为单一功能设计的超晶胞阵列，例如超晶格光栅。f. 提出的扩展超晶胞超表面（SCMS）概念基于每个位置的相位和极化的独立控制，并在每个阶上实现独立的功能。与每个函数相关的远场通过傅立叶变换与在每个阶上实现的相位分布相关。g. 与亚波长单位晶胞不同，超晶胞具有多个衍射级，这取决于超晶胞元件之间的耦合。随着偏转角的增加，这种非局部性变得很重要，并且可以在设计中严格考虑。h. 非局部超胞的多维库示例。该库包含所有订单的每个可能的相组合的超级单元。

研究人员的 SCMS 方法概括了以前的方法，它基于排列在离散晶格上的超级单元，其中每个超级单元都是从一个库（即超级单元库）中选择的，作为超表面。在局部超表面（图 1c）中，超原子是亚波长，因此透射或反射的光不会以多级衍射，并且超原子的几何形状决定了超表面对光的局部影响。例如，通过在晶格上对其进行离散化，并为每个位置选择具有所需相位的元原子来实现所需的相位分布。相比之下，在 SCMS（图 1g）中，超级单元更大，可以在局部视为光栅。超级胞的大小决定了要考虑的衍射级的数量和方向，而超级胞嵌体可以改变或优化，以相互独立地控制各个级的复振幅（强度和相位）和极化。

因此，所提议的超级单元超表面扩展的关键思想是，通过在基板上的每个位置从超级单元库中选择一个同时满足所需相位和幅度的超级单元，可以在每个阶上实现独立的幅度和相位分布。传统的超表面库将超原子的物理尺寸与其局部相位或极化函数相关联（图1d）。相反，对于我们的方法，可以编译一个包含超晶格几何结构列表及其在每个阶上各自的相位和幅度的库，并且可以使用专用代码（例如 Reticolo 或 S4）模拟超晶格。 

▲图2. 多功能波束成形超晶格超表面(SCMS)

多光束超晶格超表面

作为第一个例子，研究人员展示了一个 SCMS，它将准直的 s 偏振光束（以 52° 的大角度入射）分成三个角度差异很大的独立光束（图2）。具体来说，零阶仍然是高斯光束，一阶弯曲 52° 并成形为贝塞尔光束，第二阶以 104° 的角度聚焦，同时赋予轨道角动量 (OAM)，在焦点上形成奇点，订单的模拟远场显示在同一原理图中的带框插图中。

基于超表面的外腔激光器

最后，研究人员使用这种方法通过实验证明了基于外腔激光器 (MECL) 的波长可调超表面。超级单元反射器设计克服了常用 ECL 架构的缺点。虽然超表面已经被用作腔内装置来获得轨道角动量激光或重定向来自固态激光器的发射，或作为它们的增益介质，但尚未考虑将它们用于外部激光腔。所提出的超表面反射器相对于二极管激光源倾斜，将来自激光器的 s 偏振光分成两束，并在它们上实现两个独立的光学功能：一束光束被聚焦回到激光二极管的面上，提供腔反馈并启用激光操作，而另一个是输出光束，可以任意准直或成形，否则标准超表面或外腔设计无法实现的功能。可以通过相对于激光二极管移动超晶胞-超表面反射器来控制激光波长，而无需改变输出光束的方向。

▲图3. 具有发散 (a-d) 和准直输出 (e-l) 的基于超表面的外腔激光器 (MECL)

具有自由形式全息输出的激光器

最后，研究人员演示了一种设备，它可以产生任意的全息输出，而不影响聚焦回激光面的光(图4)。这也是每个衍射级上独立的相位控制的一个证明，这对于超晶格超表面是可能的。

▲图4. 用电荷耦合器件照相机投射和测量的全息图

通过具有百年历史的哈佛盾牌，研究人员展示了可以完全控制激光束的形状以投射复杂的全息图。