这张纸一样薄的芯片，能让“看不见的光”变成可控制方向的光束

这种新型超表面是一块覆盖着微小结构的超薄芯片，这些结构比光的波长还要小。当红外激光照射到表面时，芯片会将光转换为更高颜色（或频率）的光，并以紧密聚焦的光束释放出来。只需改变入射光的偏振，就能调整光束的方向。在实验室测试中，研究人员将波长约1530纳米的红外光（与光纤通信系统中使用的光类似）转换为波长近510纳米的可见绿光。他们还能以高精度将出射光束导向选定的角度。“可以把它想象成一个扁平的微型聚光灯，它不仅能改变光的颜色，还能将光束指向任何你想要的地方，所有这些都在单个芯片上实现，”纽约市立大学高级科学研究中心光子学计划创始主任、纽约市立大学研究生中心杰出教授安德里亚·阿鲁说。“通过让表面的不同部分协同工作，我们既实现了高效的光转换，又能精确控制光的传播方向。”解决长期存在的工程难题长期以来，工程师们利用超表面通过扁平的纳米级结构来弯曲、聚焦和塑造光。然而，这些系统通常面临一个棘手的权衡问题。有些设计通过调整表面每个点的光来实现精细控制，但在增强光信号方面效率不高。另一些设计允许光波在整个表面相互作用，这可以大大提高效率，但这种方法往往会牺牲对光束形状和方向的详细控制。纽约市立大学开发的这种新装置是首个在非线性光产生（即将一种颜色的光转换为另一种颜色的过程）中克服这一限制的装置。该芯片利用一种被称为连续域准束缚态的集体共振，在整个表面捕获并增强入射的红外光。同时，每个微小的结构单元都按照精心设计的模式旋转，使出射光获得与内置透镜或棱镜效果类似的位置相关相位。无需移动部件的高效光束控制得益于这种设计，超表面产生三次谐波光，即出射光的频率是入射光束的三倍，同时还能将光导向特定方向。改变入射光束的偏振会反转控制方向，为控制光的去向提供了一种简单有效的方法。因此，该芯片产生的三次谐波信号比缺乏这些集体共振的类似光束整形装置的效率高出约100倍。迈向紧凑型光源和集成光学能够在扁平芯片上高效产生和引导新颜色的光，为许多实际应用打开了大门。“这个平台为超紧凑型光源和光束控制元件开辟了道路，可用于激光雷达（LiDAR）、量子光产生和光信号处理等技术，所有这些都直接集成在芯片上，”第一作者米歇尔·科特鲁福说，他曾是纽约市立大学的博士后研究员，现在是罗切斯特大学的助理教授。“由于这一概念是由几何形状驱动的，而非特定材料，因此它可以应用于许多其他非线性材料，并适用于不同颜色的光，包括紫外线。”研究人员补充说，未来的技术版本可能会涉及堆叠或组合多个超表面，每个超表面都经过略微不同的优化，以在更广泛的波长范围内高效工作。这项研究得到了美国国防部、西蒙斯基金会和欧洲研究理事会的支持。