新光学序曲：新兴超材料

基于进化算法的超透镜原型的最佳点阵结构

长久以来，科学家一直在寻找突破传统光学法则的新材料，使用更平坦、更稳定、更廉价的可层叠光学元件替代笨重的玻璃和塑料元件，甚至达到亚波长结构，改进从手机到显微镜的几乎任何光学器件(图1)。

可调谐、各向同性负折射率超材料(左手材料)的目标之一是能够同时控制光的相位和振幅，为实现光学隐形斗篷、全息显示和量子悬浮提供材料基础。

如果我们可以用平坦的超材料替代传统光学元件？

图1：玻璃或半导体上的超材料薄膜不仅有望像传统透镜一样聚焦，而且更轻并可定制功能。超透镜图案可以形成多个透镜，用于3D视觉和偏振测量。光谱偏振测量仪中的超透镜控制偏振、自旋角动量、振幅和相位。来源：M. Brongersma/Stanford University

期望

• 轻量
• 低成本
• 100 µm级平坦度
• 垂直叠加/集成
• 便于光电子集成
• 单器件、多功能

挑战

• 偏振灵敏
• 像差校正
• 光和物质强相互作用
• 高质量、大面积图案
• 新光学功能

为了达成这些目标，新兴光子学材料领域取得了各种技术进展。最新“超”亮点包括等离激元超表面、超透镜和半导体超材料，共同的目标都是为了比传统光学元件更多功能但是更低价更轻便。

材料研究的复杂性在于杂合化学、物理学、工程学、制造技术和材料科学。有些材料可谓运气使然，有些材料则为特定应用而设计，但不管一种光学材料是新合成，还是旧瓶装新酒，创新都是其共同的主线。

图2：根据算法设计超透镜的光学功能，然后用成熟的工业制造技术在金属和半导体薄膜上生成精密纳米图案。上图的超表面包含多透镜功能，用于光场成像。图像来源：M. Brongersma/Stanford University

“有时候人们想要材料具有一些根本无法具有的性质，”罗彻斯特光学教授Jessica DeGroote Nelson说，“我们开玩笑称这种材料为unobtainium——非常想要却不存在的材料。”

超材料的结构特征比光波长更小，以此发展具有非天然光学性质的亚波长光学技术。超材料不是unobtainium，它们已经开始具备实用功能。

20年前，第一种负折射材料从理论成为现实，从此具有负有效磁导率(µ)和介电常数(ε)的纳米超材料结构不断涌现¹。如今，由于算法、半导体制造技术和结构化学的发展，新一批超材料已经达到原型阶段。

超表面

超表面是二维超材料，通过半导体或金属薄膜的纳米图案成形制备。超表面利用等离激元现象控制光和整形波前。超表面光学元件不仅能和传统元件一样聚焦、分光、衍射或者结构化光，而且功能更多、尺寸更小。

斯坦福材料科学和工程教授Mark Brongersma说超表面是一种新型纳米光学元件。作为一位具有远见的科学家，他解释说，我们能选择超表面上粒子的尺寸、形状、周期和排布，以低于衍射极限的尺度精密操控波前。

1998年，Brongersma在加州理工大学应用物理和材料科学Harry Atwater团队工作时，参与创造了plasmonics这个术语。等离激元是指等离子体中集体振荡的电子，电子的操控叫做电子学；光子的操控叫做光子学，同样就有了等离子学——操控表面等离激元，即金属纳米结构中的电子激发。

Brongersma团队正在开发能够测量入射光并不损坏原始波前的全硅超表面³。他们也证实了能够测量波长、自旋角动量和入射角的硅超表面。这种超轻材料还能用作眼镜的透明增透膜，具有AR发展前景。

Brongersma团队也在和超材料技术公司(MTI)开发大面积超材料薄膜，用于保护飞行员受到绿色激光攻击(图3)。2015年，联邦航空管理局报道在飞行中发生的激光事故超过1万次。metaAIR激光保护膜能够透过可见光，但是反射红色和绿色激光等特定波长。

图3：metaAIR光学超材料能够滤除有害的绿色激光，在军事和飞行应用中保护眼睛(上)。MTI CEO George Palikaras拿一块镀有metaAIR的飞机挡风屏反射绿色激光(下)。来源：MTI

旧材料，新用途

西北大学化学教授Teri Odom和同事开发了一种超薄消色差超透镜原型，通过TiN点阵超表面同时调谐近红外波长的多个焦点。TiN是用作钻头的一种高强度金属，热稳定性高，而且兼容CMOS制造技术，因此也是一种很有前景的超材料。他们应用点阵进化算法设计原型中的纳米图案⁴。

图4：多相位TiN点阵超透镜原型在表面上方产生双焦点的3D结构。来源：西北大学

图案设计根据算法模拟自然选择的生物进化，从随机结构开始优化，在每一代进化中根据光学性质拟合度选择结构，不断优化设计。为了制造二维透镜，他们使用化学掩模刻蚀工艺制备偏振灵敏超表面，能够同时将光聚焦在多个点上(图4)。纳米图案也能扩展复杂的相位元素或特殊形状的纳米天线等，用于光束控制和负折射应用。

Odom领导的另一个团队还成功展示了可延展纳米激光平台，这是一种纳米级半量子激光器，在4mm x 4 mm弹性基底上排列金纳米粒子(直径260 nm，间距600 nm)。其它尺寸和形状的纳米粒子结构也能实现⁵。

纳米粒子阵列激发的原理是通过混合四极等离激元共振，共振频率随弹性基底延展和释放而改变，使激光具有31 nm调谐范围(中心波长875 nm)，而且有望取得VIS到NIR的激发波长。

原型突破

使用新的设计算法和成熟的制造技术可以制造各种低成本、耐用的微型金属超材料光学器件，它们能够承受更高的温度，而且有望作为先进光学元件集成在光电子应用中。超材料创新正在改变光学思考方式，如今我们能够同时设计、预测和制造，促进基础研究和器件应用的发展。

图5：即插即用的实验室级偏振测量仪能够读取入射激光的偏振态。纳米超表面安装在面板右侧，这中器件有望形成芯片级生产。来源：N. Rubin/Harvard SEAS.

哈佛大学工程和应用科学学院(SEAS)研究人员应用另一种介电超材料展示了在偏振态测量仪原型取得的突破⁶。应用物理学教授Federico Capasso及其同事使用TiO2柱形纳米结构制备了一种集成偏振功能的衍射光栅(图5)。

研究人员Noah Rubin说，使用双形态硅等介电材料相比金属具有更低的损耗。这种原型偏振态测量仪的性能和基于波片的面包箱大小的商用版本差不多，但是这种器件可以用便宜的光刻以芯片级生产百万个。但是，挑战仍存。

设计中使用的电子束刻蚀在大面积时不实用，Rubin说，还有很多工作要做，但是一直在进行。这么薄的偏振材料将改进偏振分辨成像，用于医学诊断、机器视觉和通过水和雾气分辨细节。

Brongersma说，很多行业都可能因超材料发生剧变。如果我们能够改进这些和晶圆一样薄的轻质光学超表面的大面积量产方案，就能将它们用于镀在玻璃、半导体和塑料表面，为这些材料创造新的光学功能。我相信一两年内某些新材料就会变成实用。

研究人员称，等离激元透镜还需要多年的研发努力才能取得商用成果，如果真的能的话。只有通过光学和材料生产等领域的技术才能填补创新和商用之间的差距。但是考虑到全球信息分享的速度，如今周期已经明显缩短。

达芬奇的自力推进车经过几个世纪才在福特公司成为现实，如今，由于信息的快速交换，从伟大的远见卓识到创新技术的时间已经大大缩短。我们今天想象的材料也许几年后就会得到应用。