超表面是指一種厚度小于波長的人工層狀材料。超表面可實現對電磁波偏振、振幅、相位、極化方式、傳播模式等特性的靈活有效調控。超表面可視為超材料的二維對應。

根據面內的結構形式，超表面可以分為兩種：一種具有橫向亞波長的微細結構，一種為均勻膜層。

根據調控的波的種類，超表面可分為光學超表面、聲學超表面、機械超表面等。光學超表面是最常見的一種類型，它可以通過亞波長的微結構來調控電磁波的偏振、相位、振幅、頻率等特性，是一種結合了光學與納米科技的新興技術。

1.超表面對偏振的調控

在偏振方面，超表面可實現偏振轉換、旋光、矢量光束產生等功能。

2.超表面對振幅的調控

超表面可以實現光的非對稱透過、消反射、增透射、磁鏡、類EIT效應等。

3.超表面對頻率的調控

超表面的微結構在共振情況下可實現較強的局域場增強，利用這些局域場增強效應，可以實現非線性信號或熒光信號的增強。在可見光波段，不同頻率的光對應不同的顏色，超表面的頻率選擇特性可以用于實現結構色。我們在自然界中看到的顏色從產生原理上可以分為兩大類，一類是由材料的反射、吸收、散射等特性決定的顏色，比如常見的顏料、塑料袋的顏色等；另一類是由物質的結構，而不是其所用材料來決定的顏色，即所謂的結構色，比如蝴蝶的顏色、某些魚類的顏色等。人們利用超表面，可以通過改變其結構單元的尺寸、形狀等幾何參數來實現對超表面的顏色的自由調控，可用于高像素成像、可視化生物傳感等領域。

4.超表面對相位的調控

相位是電磁波的一個核心屬性，等相位面決定了電磁波的傳播方向，一副圖像的相位則包含了其立體信息。通過控制電磁波的相位，可以實現光束偏轉、超透鏡、超全息、渦旋光產生、編碼、隱身、幻像等功能。

5.超表面對電磁波多個自由度的聯合調控

超表面可以實現對電磁波相位、振幅、偏振等自由度的同時調控。比如，通過對電磁波的相位和振幅的聯合調控，可以實現立體超全息，通過對電磁波的相位和偏振的聯合調控，可以實現矢量渦旋光；通過對電磁波的相位和頻率的聯合調控，可以實現非線性超透鏡等功能。

6.超表面對波導模式的調控

可將“超構光學”的概念與各類光波導平臺相結合，將超構表面或超構材料集成在各類光波導結構上，則可以在亞波長尺度下對波導中的光信號進行靈活自由的調控。利用上表面集成了超構表面的介質光波導結構，可以實現多功能的光耦合、光探測、偏振/波長解復用、結構光激發、波導模式轉化、片上光信號變換、光學神經網絡、光路由等應用。

審核編輯：劉清