逍遥科技 | 编译自 GoPhotonics

由应用物理学和应用数学副教授Nanfang Yu领导的哥伦比亚大学工学院的一个研究小组创造了一种平面光学器件，它只聚焦少数选定的窄带颜色的光，而对非选定的绝大多数光谱中的光保持透明。

研究人员一直在努力完善高性能的增强现实（AR）眼镜，但存在着一些挑战。传统AR眼镜的一个主要问题是，在你实际看到的外部场景与你可视化看到的周边相对的环境信息（contextual）之间，存在图像质量和亮度上的平衡。早期的解决方案，如谷歌眼镜，使用了多个笨重的光学元件，部分反射，部分透射，以混合真实世界和上下文信息的场景，结果是两个场景的视觉都变暗和扭曲。

最近的AR头戴式显示器眼镜采用了具有波长大小间隔的衍射光栅（diffractive gratings）细槽，将周边相对的环境信息（contextual）从眼镜旁边的微型投影仪反射到观看者的眼睛。但这些眼镜依旧会使外部场景变暗和扭曲，因为真实世界的光线通过玻璃时不可避免地会被光栅散射开来。当必须使用几组重叠的光栅来处理来自微型投影仪的多种不同颜色时，失真会变得更严重。对人眼来说，完美融合外部环境和周边相对的环境信息（contextual）的AR眼镜将对许多应用非常有用。作为平视显示器，该技术可以为驾驶汽车的人提供导航指示，或将传感器的数据反馈给驾驶飞机的飞行员，而不需要他们从挡风玻璃上看；作为头戴式显示器，该技术可以使外科医生和士兵，以前所未有的轻松和效率查看他们手头上的任务相关的信息。

这种玻璃不仅需要在几乎整个可见光谱范围内高度透明，允许对外部世界进行无衰减和无扭曲的视觉，而且还需要发挥高效透镜的作用，将来自微型投影仪的光线聚焦到人眼上，形成伴随外部真实世界场景的视觉环境。

研究展示了新型的波长选择、波前塑造玻璃

哥伦比亚大学工学院的研究人员报告说，他们现在已经发明了这种玻璃。在应用物理学和应用数学副教授Nanfang Yu的领导下，该团队创造了一种平面光学器件，它只聚焦少数选定的窄带颜色的光，而对绝大多数光谱中的非选定的光保持透明。

"我们建造了一个非常酷的平面光学器件，它看起来完全透明，就像一块简单的玻璃，直到你将一束具有正确波长的光照到它上面时，该器件突然变成了一个透镜"， 纳米光子学研究的领导者Nanfang Yu说。"对我来说，这就是光学魔术。"

超构表面（Metasurfaces）

Nanfang Yu的研究小组开发了基于超构表面的平面光学器件--超薄的光学元件，以控制光在自由空间和光波导中的传播。元表面由二维（2D）设计的散射器阵列组成，被称为 "光学天线"--一种具有纳米级尺寸的无线电天线的微小版本。超构表面的关键特征是，光学散射体在光学上都是不同的。它们散射的光可以有不同的振幅、相位或偏振，因此超构表面可以引入空间变化的光学响应，可以用极其灵活的方式控制光线。而且，超构表面使其有可能实现传统上需要三维光学元件或尺寸更大的设备的功能，如聚焦或引导光束或在集成硅光电子芯片上切换光信号。

非局域的超构表面

Nanfang Yu的团队发明了一种 "非局域的超构表面"，可以在不同的目标波长上以不同的方式操纵光波，而使非目标波长的光不受影响。新器件通过选择一种颜色（光谱）和聚焦（空间）对光进行空间和光谱控制，不仅在单一波长上，而且在多个不同的波长上独立进行。例如，一个展示的器件既可作为凸透镜，将光聚焦在一种颜色上，又可作为凹透镜，将光分散在第二种颜色上；同时保持透明，当光照到光谱的其余颜色上时，就像一块没有图案的玻璃板。

打破对称性来辐射光并成型其波前（Breaking symmetry to radiate light and shape its wavefront）

这些新器件源自于Nanfang Yu的团队的前博士生、该研究的共同作者Adam Overvig，对如何操纵光子晶体（PhC）板的对称性进行的理论探索，例如一种二维周期性结构，即在硅薄膜中定义的方形孔的方形阵列。众所周知，PhC板支持一组模式，其频率或颜色由板块的几何形状（例如，阵列的周期性和孔的大小）决定。这些模式本质上是沿板块空间延伸（非局部）的光片，但在其他方面被限制在板块的法线方向。

在结构重复的PhC板上引入破坏对称性的扰动，例如简单地将PhC的方孔变形为矩形孔，降低了PhC的对称程度，使模式不再被限制在板上：它们可以被来自自由空间的具有正确颜色的光束所激发，也可以辐射回自由空间。

重要的是，研究人员没有在整个PhC板上施加均匀的扰动，而是在空间上改变了扰动的方向，将矩形孔放在器件的不同方向。通过这种方式，该器件的表面发射可以获得一个与矩形的方向角模式有关的成型波前。

首次制造出只聚焦所需颜色光线的透镜

"这是第一次有人利用基于破坏对称性扰动的方法，在实验中展示了波长选择性、波前成型的光学器件"， Nanfang Yu小组的博士生Stephanie Malek解释说，他是这项研究的主要作者。"通过仔细选择初始PhC的几何形状，我们可以实现波长的选择性，并且通过定制应用于PhC的扰动的方向，我们可以雕刻出所选颜色的光波前。这意味着我们可以制造出只聚焦所选颜色光线的透镜"。

迄今为止最多功能和最多颜色的超构表面

该团队展示了一个多功能器件，它可以在四个不同的波长上独立地塑造光学波前，但在其他非选定的波长上作为一个透明的基底。这使得它成为迄今为止所展示的最多功能和最多颜色的超构表面，也表明在未来可以通过独立控制几种颜色的虚拟信息来制作全色AR显示器。

AR应用

这种新的波长选择、波前整形的 "非局部 "超构表面为AR技术提供了一个有前途的解决方案，包括汽车前挡风玻璃上的平视显示器。光学透视透镜可以在微型投影仪选定的窄带波长上，向观看者的眼睛反射周边相对的环境信息（contextual），同时也允许对真实世界进行无遮挡、无衰减的宽带观看。而且，由于波长选择性超构表面透镜比人的头发还要薄，它们很适合开发AR护目镜，其外观和感觉就像舒适和时尚的眼镜。

量子光学

Nanfang Yu的平坦超构表面也可以用来大幅降低设置超冷原子的量子光学装置的复杂性。因为多个不同波长的激光束必须被独立控制，以冷却、捕获和监测冷原子，这些设置可能变得很复杂。这种复杂性使得研究人员很难广泛采用冷原子来用于原子钟、量子模拟和计算。现在，与其在真空室周围为冷原子建立几个端口，每个端口都有其独特的光束整形光学元件，不如用一个超构表面器件来同时塑造实验中使用的多个激光光束。

下一步：在可见光谱范围内展示这一概念

这项研究中的器件利用纳米结构的硅薄膜同时独立地控制几束近红外光的波前。该团队计划下一步在可见光谱范围内演示这一概念，利用具有可见光低吸收损失的器件平台，如氮化硅和二氧化钛薄膜，完全控制三个窄带可见光激光束的波前。他们还在探索波长选择性超构表面器件的可扩展性，如将两个以上的扰动纳入一个元表面，或将两个以上的超构表面堆叠成一个复合器件。

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