據麥姆斯咨詢報道，哈佛大學John A. Paulson工程與應用科學學院(SEAS)的團隊開發了一種能調整激光各種特征參數的超表面，且無需額外的光學元件。

超表面是以亞波長間隔的納米結構陣列，可以操縱光的振幅、相位和偏振，實現3D微光學元件無法完成的各種光學功能。但當需要以較大偏轉角度完成多個功能時，性能和效率則表現出局限性，這是因為沒有充分考慮納米結構之間的光學耦合導致的非局部相互作用。哈佛大學研究團隊提出一種基于超晶胞超表面(supercell metasurfaces，簡稱：SCMS)的方法，以高效率、任意大偏轉角度展示了多項獨立光學功能。

多功能超表面的兩種最簡單方法(圖1a、1b)基于使用局部亞波長單元晶胞(圖1c)——旨在將局部相位或偏振分布通過晶胞傳遞給光的傳播。在最簡單的情況下，可以準備單元晶胞庫來更改晶胞的某些物理參數并模擬其傳輸階段(圖1d)。當超晶胞周期性重復時，器件表現為光柵(稱為“超光柵”，metagrating)，將光分成多個衍射級。通常，超光柵的功能是在一個選定的衍射級將所有光發射為對應的偏轉角度，角度取決于超晶胞的周期(大小)(圖1e)。研究人員展示了基于超晶胞庫的超晶胞超表面，以便實現大偏轉角度的多種功能，且不會損失效率(圖1f)。

圖1 超晶胞超表面概念

多光束超晶胞超表面

該論文展示了超晶胞超表面將準直后的偏振光束(即在52°的大角度下)分成三束獨立光束且角度差異很大(圖2a)。具體來說，零級仍然是高斯光束，一級被彎曲成52°，整形成貝塞爾光束，二級聚焦于104°并同時傳遞軌道角動量(OAM)，在焦點中創建奇點。

圖2 多功能光束整形超晶胞超表面(SCMS)

基于超表面的外腔激光器

研究人員演示了波長可調超表面外腔激光器(MECL)。超晶胞超表面反射器設計克服了常用外腔激光器架構的缺點。雖然超表面已被用作內腔器件，以獲得軌道角動量激光或改變固態激光器的發射方向，或作為增益介質，尚未考慮用于外部激光腔。研究人員試圖將超表面反射器與二極管激光源傾斜，將激光產生的偏振光分成兩束，并實現兩種獨立的光學功能：一束光束聚焦在激光二極管的表面，提供腔反饋并開啟激光器工作;另一束光束是輸出光束，可以被進行任意準直或整形，這是通過標準超表面或外腔設計無法實現的功能。在不改變輸出光束方向的情況下，通過移動激光二極管的超晶胞超表面反射器來控制激光波長。

圖3 基于超晶胞超表面的外腔激光器

自由曲面全息輸出激光器

最后，研究人員演示了一個能產生任意全息輸出的器件，且不會影響聚焦回激光端面的光(圖4a)。這也作為對每個衍射級獨立相控的演示。

圖4 帶全息輸出光束的超晶胞超表面外腔激光器

“我們的方法為設計光源發射和控制多個功能的新方法鋪平了道路。”哈佛大學Robert L. Wallace應用物理學教授、SEAS電子工程Vinton Hayes高級研究員、該論文作者Federico Capasso談到，“除了控制任何類型的激光器，以任意角度平行產生多束光束的能力，每個光束實現不同功能，這將使從科學儀器到增強現實和虛擬現實(AR & VR)、全息應用成為可能。”