光学超材料新趋势：非线性、量子系统、人工智能铺助设计

超材料作为一种新的材料学研究范式，可以发展出一系列具有奇异特性的新型人工材料系统。其重大科学价值及应用前景得到了世界各国科技界、产业界、政府及国防部门的高度关注。

而光学超材料一直是超材料学科中最重要的组成部分之一，是超材料在信息科学领域中应用的重要体现。

本文围绕人工智能超材料、非线性光学超材料与光学超表面等方面回顾了光学超材料在2020年的研究热点。

近年来，光学超材料的研究趋势呈现出线性向非线性拓展、经典系统向量子系统延伸、传统研究向机器学习与人工智能过渡等趋势。 而 机 器学习与人工智能的融入，更 使得超材料的设计提升到了一个新的层次。

非线性光学超材料

超材料的奇特性质主要是源于其特殊的几何结构以及尺寸参数，通过合理设计超材料的几何参数和空间构型可以突破自然材料非线性光学效应的一些局限性，还可以增强和调控自然材料的本征非线性效应。

超材料实现光学非线性以及构建量子物理系统是对超材料思想的进一步提升，使得超材料领域本身得到了进一步的扩展。

近年来，介质基超材料低损耗、高损伤阈值、大非线性极化系数等优点使其成为非线性超材料的前沿和热门研究方向。

在非线性超材料器件小型化和集成化方面，Koshelev的工作提出了一种使用亚波长介电谐振子以显著增强光-物质的相互作用的方法，在纳米级激光器、量子光子和传感器等领域有广泛的应用前景，为开发集成非线性纳米光子器件提供了一个平台。

纳米级亚波长的AlGaAs独立圆柱体谐振器中获得增强的二谐波产生

在光纤非线性超材料方面，赵建林团队的成果可为光纤激光器等拓展新波段光源，并且易于与目前的电信基础设施集成，在变频光纤激光源、全光信号处理、光纤传感器等领域有着广泛的应用。

层状二维材料硒化镓辅助直径为微米量级的微光纤构成的全光纤波长转换器

Xiyuan Lu等的工作在硅光子学中实现高效χ(2)非线性，为进一步集成自参考频率梳和光参考频率铺平了道路。

高Q值的Si3N4微环中高效的二次谐波产生

全光开关在超高速通信中的应用对低能耗、高速、强调制比、小体积和片上集成等性能有较高要求。

宋清海团队提出了钙钛矿超表面中拓扑保护BIC全光开关原理，保证了微型激光从径向极化的环形光束到线性极化的旁瓣光的相互超快切换，BIC的极高品质因子能显著降低激光阈值，从而解决传统全光开关中超短切换时间与超低能耗之间的矛盾，有望成为最终实现光计算和量子计算的关键步骤。

由钙钛矿超表面构成的微型激光器的超快调控示意图

学界在全电介质超表面研究中也取得了重要进展，实现了对硅纳米盘光散射响应接近100%的调制幅度的高效动态的全光调控。

这种成像具有无损、非标记、突破衍射极限的超分辨定位能力，将有可能在晶圆光刻结构的无损原位检测等领域发挥重要作用。

亚波长尺度硅纳米盘光热效应示意图

光学频率梳在计时、测距和光谱学等重要领域中有着广泛的运用。

传统的光频梳结构复杂、成本高昂，对使用环境的要求高。近年来，多个研究团队一直致力于在集成光电子平台上搭建小体积、低能耗的芯片级光频梳。

一个国际合作的研究团队将超低损耗的氮化硅微腔芯片与商用的分布式反馈（DFB）激光器芯片直接封装对接耦合来产生孤子微梳，对光学频率梳的单片集成以及工业化生产和应用具有划时代的意义。

孤子微梳结构示意图

目前非线性超材料较低的转换效率限制了非线性超材料器件的实用性，研究者们还需探索新的材料、结构和机制去增强超材料的非线性转换效率，聚焦于提高超材料非线性转换效率的研究将持续受到关注。

人工智能与超材料

光学超材料由于具备对光场独有的调控能力和高设计自由度，因此和人工智能结合具有广泛的研究和应用前景。

目前的主要发展趋势集中在2个方面：人工智能计算辅助设计超材料结构；利用超材料对光的调控能力实现模拟光计算。

近几年，逐渐有研究人员尝试将深度学习网络引入到超材料的结构设计中。

Tamura等利用量子退火和因子分解算法规避了传统优化算法的穷举搜索问题。

Wang等借助于深度学习平台搭建了多任务等离激元超材料设计模型，以较高的精度实现了三维手性超材料和其圆二色光谱之间的联系。

由正向设计路径和反向设计路径组成的双向多任务深度学习模型用于手性超材料设计

在问题导向的超材料设计方面，Mills等利用神经网络设计了一种全介质超表面。

Sheverdin等基于全连接神经网络，建立了多层包裹颗粒的尺寸和散射谱之间的联系。对于这一类多层叠加的复杂结构，神经网络极大地降低了计算时间。

人工智能还可以实现超材料的动态参数调节。

Chen等提出将深度学习作为动态算法嵌入到超表面结构中，使得超表面对于外界入射光的角度变化自动调节自身参数，实现动态自适应隐身。

将深度学习作为动态算法嵌入到超表面结构中示意图

深度学习可以高效地辅助超材料设计，可用于建立超材料、光子晶体等光子结构和波长、相位、轨道角动量等响应之间的联系。

深度学习用于光子结构设计框图

超材料独特的光学物理场调控能力，使得其可以作为一种光计算器件，克服电子计算功耗大和运算速度限制的问题。

Zhou等利用超表面对光场幅值和相位的调控能力，构建了一种超薄超表面，可以对照射到上面的光学图像进行二阶微分运算，即边缘提取，在功耗和处理速度上远远优于电子计算机。

超薄超表面示意图

Smith等将超表面和神经网络集成，利用超表面对电磁波的滤波作用，提高了对物体特征参数的提取效率，加快图像识别训练过程和提高识别准确率。

此外，可以将超材料和人工智能结合在图像识别、模式检测或者成像方面有所应用。

发展非线性超材料可以实现更为复杂的智能算法，实现更多场景下的光学计算，如复杂图像识别、光子计算机等。

光学超表面

超表面作为一种二维的超材料，可以在很薄的一层亚波长结构上实现对入射光的调控。

相比三维的体超材料，光学超表面在加工上具有很大的优势，同时由于其具有超轻、超薄的特点，易于集成在微型化设备中，减轻设备的重量和体积。

超表面由于其优异的相位、振幅和偏振控制能力，可用于实现波前操控以及偏振转换等应用，而通过相位的交错排列或者偏振多路复用的方法，可以实现集多种功能于一体的多功能超表面。

将超表面与量子光学领域结合起来，有望解决量子光学领域目前遇到的难题，推动量子光学研究的进一步发展。

祝世宁团队和蔡定平团队合作，通过将超透镜阵列和非线性晶体结合，可以在10×10的阵列上实现100个路径下的自发参量下转换双光子源，有望应用于高维量子纠缠以及双光子态的产生。

这种基于超透镜阵列的高维多光子量子源具有紧凑、稳定以及可控性好等优势，为集成量子设备提供了一个新的平台。

基于超透镜阵列的高维多光子量子源

主动控制器件和设备在现代光学系统中具有重要的作用，通过引入外场调控，可以对超表面每个组成单元的响应进行独立调控，从而实现超表面性能的主动控制。主动控制型超表面作为研究热点一直为人们所关注。

Park等设计了一种全固态、电可调的反射型超表面，利用这种超表面可以实现对虚拟街景和人物的激光探测和测量。

可调超表面用于激光雷达

Liu等实现了一种电可寻址的数字超表面器件，具有高强度对比度，快响应速率（毫秒量级）以及极好的可重复性，有望应用于商业化的光投影设备。

电调控可寻址的数字超表面器件

通过相位的交错排列或是偏振多路复用的方法，可以实现多通道多功能的超表面，大大扩宽传统超表面的应用范围。

相位交错排列的方式通过在每个周期性单元中引入多个纳米介质柱结构，单元的每个纳米介质柱分配一种独立的相位分布函数，这样就能实现集多种功能于一身的多路复用超表面。

偏振多路复用技术主要利用各向异性纳米介质柱在2个主轴方向上相位响应的差异，通过将不同偏振下的相位编码在超表面上，可以实现不同偏振入射下的差异化响应。

扩展现有超表面的应用范围，将超表面应用于其它新型领域中，也是超表面研究的热点。

肖淑敏课题组制备得到了一种高质量的钙钛矿垂直腔面发射激光器，可以产生不同拓扑荷下的高质量涡旋激光，有望将钙钛矿微型激光器应用于混合集成光子网络以及光学计算等领域。

Lien等利用超表面器件代替传统的光学元件，通过控制分裂波束的偏振状态，实现了原子的冷却，这种方式在量子传感、量子计算等领域中具有潜在的应用价值。

原子冷却超表面示意图

张诚等利用氧化铪制备得到了工作在深紫外光波段的超构表面，并实现了聚焦、自加速光速产生以及全息显示等功能，在光刻、成像、光谱学以及量子信息处理等方面具有重要的应用价值。

Jia等克服了单层二维材料对相位和振幅调控不充分的缺陷，实现了对可见光的高效亚波长分辨率以及衍射极限成像，为基于二维材料的光学器件的研究奠定了基础。

单层二维材料超表面透镜

结论

超材料因其具有的独特物理性质与灵活的设计思想而在现代材料学领域崭露头角，极大地拓展了材料学的研究视野，为弥补常规材料性能短板提供了新思路。

中国对超材料的发展非常重视，已经提升到了战略高度。如何获得原创性的、具有实际应用前景的以及与其他学科交叉融合从而推动多领域进步的工作成为光学超材料的未来发展方向。

2020年的光学超材料领域，从其自身概念的进一步拓展，到研究方法、研究思路的提升，以及向实际应用的逐渐推进，都有着非常丰硕的研究成果，有望对信息、量子、生物、医疗、通信等关键核心领域带来重要影响。

本文作者：孙竞博，文永正，王陈，赵世强，王菲镂，周济作者简介：孙竞博，清华大学材料学院，副教授，研究方向为光学超材料；周济（通信作者），清华大学材料学院，教授，中国工程院院士，研究方向为超材料。

论文全文发表于《科技导报》2021年第1期

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