图1. 超快光学和光子学中的超构表面研究概述。

近日，南京大学物理学院王漱明教授课题组与南洋理工大学胡光维助理教授组携手合作，将超快光学与超构材料两大领域巧妙结合，在Science子刊Ultrafast Science上发表了题为“Ultrafast Metaphotonics”的综述文章。该文提出了这一新兴交叉领域的两大研究核心：一是基于超构材料的超快光信号的产生与调制，二是超构光子器件的超快控制。文章通过介绍这两个研究方向所取得的突破性进展，结合超快光学与超构器件的实用化进程，展望了二者的融合所带来的新机遇与广阔前景，这将推动生物学、化学、材料科学等多个领域的蓬勃发展，衍生出新一代超快相机、激光雷达、全光计算芯片等创新型器件。文章的第一作者包括南京大学物理学院李添悦博士、现代工学院博士生徐浩天，以及南洋理工大学的潘麦铭成博士。通讯作者为南京大学的王漱明教授、王振林教授、祝世宁院士，以及南洋理工大学的胡光维助理教授，南京大学物理学院的研究生邵天骅和直博生高歌泽，现代工学院的徐飞教授也对本文作出了重要贡献。

综述导读

超构材料（Metamaterials）是一类具有特定亚波长结构的人工微观功能材料，展现了自然界材料所不具备的广泛新颖特性。因此，在各种波动体系的研究中，许多工作已以其为平台，展示了丰富而独特的物理现象。尤其自本世纪初以来，超越传统天然材料的微纳米结构悄然重塑了发展格局。“Meta”一词源于古希腊语，意为“超越”，因此超构材料不仅能够替代天然材料的某些功能，还能在更小的体积内实现更丰富的光场控制。实际上，光在三维（3D）超材料中传播时，一旦达到一定厚度，便注定会损失能量和信息。过去十年中，超构表面证明了光在亚波长尺度上在材料界面传播的独特方式，颠覆了传统折射和反射定律的理解。在制造方面，超构表面与半导体工艺兼容，其微小尺寸可集成于光电平台，已在成像、显示、通信、微操控以及非线性和量子技术等领域取得了重大突破。因此，超构表面在形成超短脉冲方面发挥了关键作用，例如聚焦极紫外光或生成结构光脉冲。超快控制不仅扩展了超快光学研究的范畴，也为超构表面的功能切换提供了新的思路，展现出在小型化器件中集成应用的潜力。左图展示了超表面对超短脉冲的调制，包括对色散、波前、非线性频率转换和太赫兹脉冲的调控；右图则描述了由主动超表面实现的功能的超快速控制，利用电、磁、光致动、化学、非线性开关和相变材料等策略。作者首先列出了超构光子学领域几种前沿方向，包括基于局域相位机制的超构表面（图2）、非局域超构表面（图3）以及与二维材料集成的超构材料（图4）等。

图2. (A)广义斯涅尔定律示意图。(B)基于等离子体纳米天线的共振相位。左，v形天线;右，H形天线。(C)基于超构原子旋转的几何相位。(D)基于介电体超构原子的传播相位。(E)结合几何和传播相位的复合相位，实现偏振态的解耦与控制。(F)通过共振和几何相位实现的连续宽带消色差设计。(G)绕行相位。(H)基于强耦合手性结构的异常拓扑相位。

图3. 非局域超构表面的分类, 其中BIC指的是连续域中的束缚态。(A)偶发BIC。上图为动量空间中的Q因子和能带结构，下图为Q因子最大值所对应的局域态分布。(B) 准BICs。上图展示了在宇称对称被打破时强共振超表面的出现，而下图展示了它们实现的窄带聚焦能力。(C)通过不对称蚀刻中空超表面获得的手性bic。下图显示它们的场分布和相应的能流。

图4. 几种二维材料与超构材料的杂化集成。

研究进展

超短脉冲调制

时空脉冲的调制依赖于入射光的转换，与连续波不同，脉冲光的超快特性赋予了相位梯度超构表面 (Phase Gradient Metasurfaces，PGM) 时间依赖性的操纵能力。作者首先回顾了该领域近年来的优秀成果，如图5所示。例如，利用频率梳与几何相位超构表面相结合，实现高速、大角度的光束扫描。将腔体与ε-近零材料涂层的超构表面强耦合，对输入的高斯光进行转换，实现了拓扑荷可调的涡旋光束的输出。随后，对于相位整形，作者报告了使用基于光栅的傅里叶变换脉冲整形器对超短脉冲的时间控制，通过制备一系列具有不同参数的超构表面，实现了可重构的高阶相位控制。通过由两个平行的银镜和两个等离子体超构表面组成的超紧凑型脉冲整形装置，实现了有效的色散补偿，证明了脉冲整形的灵活度和精度。对于脉冲光的空间分布整形，作者报告了钙钛矿材料制造的基于拓扑保护准连续域束缚态的涡旋微腔激光器，与传统方法相比，其能耗显著降低，解决了微腔激光器低能耗与高速调制间的矛盾。超短脉冲的超构表面调制也表现在非线性变频中。作者提到，利用铝砷化镓超构表面，采用双泵浦方案激发超构表面，实现了高达90%的干涉条纹可见度。利用基于真空波导效应的紫外超构透镜，实现了接近衍射极限的聚焦能力，克服了传统紫外光学元件的局限性。

图5. 基于PGM的光脉冲调制。

太赫兹调制

太赫兹信号主要通过脉冲光与非线性晶体相互作用产生，是超快光学领域的基石。自然响应及可塑造太赫兹信号的材料的稀缺性更凸显了微结构在太赫兹光学中的关键作用。作者首先提到了PGM操纵太赫兹波的强大能力，介绍了环形光脉冲 (Toroidal Light Pulses，TLP) 的产生和特性，证实了其作为麦克斯韦方程组精确解的物理可行性。随后，作者回顾了如混合式开口环谐振器、基于光学可控硅桥的太赫兹超构表面、由硅纳米柱组成的黑硅超构表面、3D石墨烯超构材料、超导介导的太赫兹超构表面等前沿成果 (图6) ，展示了太赫兹调制在光学通信、光谱学、先进制造、太赫兹脉冲等方面的强大功能。

图6.太赫兹超构表面

超构器件的超快控制

电光调制

考虑到电光 (electro-optic，EO) 器件的调制速度和耗损，在所有机制中，电调制无疑是表现最出色的。采用电调制驱动超构器件，其调制速度可达几千兆赫，尺寸达到微米量级，可用于包括信号调制、光束操控及数字空间光调制等各种应用。包含Pockels效应和Kerr效应的EO效应，以及电门控调制，因它们具有的超快物理过程及实用价值，使其成为了调控入射光振幅和相位的最常用方法。本节作者回顾了利用EO效应及电门控调制的前沿进展 (图7) ，证明了电调制在结构光产生、高带宽通信、3D激光雷达、未来的6G通信等领域中的关键作用。

图7. 基于电控的可重构超构表面。

磁光调制

通常情况下，磁场对材料的直接影响较弱。然而，利用磁光 (magneto-optic，MO) 效应可以实现亚纳秒级的快速调制。本节中，作者主要回顾了MO效应在透射光谱调制及光学手性操控中的具体应用 (图8) ，说明了其在光学侦察、光学测量、手性光谱学等领域的重要性。

图8. 基于电磁控的可重构超构表面。

全光调制

光调制利用泵浦源激发光敏材料，由于其的短脉冲宽度，可实现太赫兹量级的超快开关调制。迄今为止，全光调制已成为超快应用中最具前景的调制技术。本节中，作者将回顾基于光驱动超构表面的最新进展 (图9) ，阐述了光调制在太赫兹传输、超快响应等方面的出色表现，证明了其在超快应用中的优越性。

图9. 光驱动超构表面。

化学法控制

利用电压或化学反应，某些新颖的化学材料具有改变光学性质的能力，特别是光谱响应和折射率，这使得其可用于超构表面共振的调制。然而，与电场、磁场甚至光本身不同，由于离子迁移速率和反应动力学相对缓慢，其反应时间通常在毫秒到秒之间，这大大限制了其在高速开关中的应用。然而，化学调制也具有如低功率、低损耗、易操作、室温操作等具有前景的优势。因而，在本节中，作者回顾了最新研发的基于如镁颗粒、导电聚苯胺、电致变色三氧化钨等化学材料的化学调制超构表面的应用实例 (图10) ，证明了化学调制具有优异的化学稳定性及可重复性等优势。

图10. 可重构的化学超构表面。

非线性光学开关

非线性过程在主动超构表面中具有重要意义，涵盖了超快开关、信号转换及处理等功能。与均匀介质相比，非线性超构表面在纳米尺度上提供了对偏振、角度以及频率依赖的非线性特征的优良操控。本节中，作者将回顾基于非线性晶体、金属以及介质的非线性超构表面的前沿进展 (图11)，表明了非线性过程在频率转换、超快偏振切换、光信息编码等方面的重要应用。

图11. 非线性光学超构表面。

相变材料

相变材料 (Phase-Change Materials，PCMs) 在热或光脉冲作用下，其光学性质将发生显著变化。这些激发将引起材料的相变，从而使其结构由非晶体状态转变为晶体状态，使其折射率发生显著的变化。这种转变是至关重要的，它将直接影响超构表面的光学性质，从而可精确地操控线性及非线性响应的振幅和相位。通过利用这些调制能力，使得在应用中的功能增强成为可能。目前，典型的PCMs包含二氧化钒 (VO2) 家族、Ge-Sb-Te (GST) 家族、Ge-Sb-Se-Te (GSST) 家族、Ag与In结合Se、Te (称为AIST) 家族、掺杂Ge的Sb家族以及硅 (a-Si到c-Si)。从超快控制的角度出发，仅有VO2和GST家族的相变时间在纳秒范围，故而作者也主要就这两个家族的相变材料进行回顾介绍，如图12所示。

基于VO₂的超快纳米结构。VO₂具有在68℃临界温度下由金属相向绝缘相转变的能力。宏观上，其表现为介电常数的变化，这种相变具有从紫外到红外的宽带影响，表明了VO₂纳米结构具有跨多个频带的多种应用潜力，强调了其作为光学材料的多功能性。本节中，作者回顾了VO₂材料在热激发、电激发以及光激发下的相变特性及应用，阐明了VO₂材料允许精确光学调制的特性，以及其在各种应用中的功能性和适应性。

基于GST族系材料的超快纳米结构。GST材料在加热至接近150℃时，其折射率将发生实质性的可逆变化，从非晶体状态转变为晶体状态。同时，GST材料因其难挥发的特性，使得其具有用作可重构光学器件的潜能。本节中，作者回顾了基于GST材料的超构表面的发展历程，并且还介绍了GST家族中的GSST材料，其因其在非晶体相和晶体相下均出色的红外光谱宽带透明度而备受关注。从而说明了基于PCMs的超构表面的动态调制和超快响应向前迈出了重要的一步。

图12. 相变材料超构表面。

总结展望

在超快光子学与超构材料的交汇点，新的光学革命正在徐徐展开。超构表面以其独特的调制能力和对光-物质相互作用的精细调节，不仅推动了瞬态过程的动态探索，还在高分辨率光谱测量和非线性效应的研究中展现出巨大潜力。这一领域的新兴技术，如结合时间拉伸的超快响应，和集成光纤或二维材料的创新应用，为实现新型光源和高效量子信息传输提供了前所未有的可能性。此外，拓扑光子学的发展也为抗背向散射的超快泵浦技术开辟了新的路径。然而，热效应和材料本身的限制依然是实现更高性能的重大挑战。因此，尽管超快光子学展现出跨学科整合的潜力，其未来的成功将依赖于对现存技术瓶颈的深入解决，从而引领新一轮的科学与技术革新。

文章来源于超快科学公众号