超构表面的振幅调控及其功能器件研究进展

付 娆，李子乐，郑国兴

（武汉大学电子信息学院，湖北武汉 430072）

1 引 言

近年来，超构表面材料（Metasurfaces），一种通过在普通光学材料表面刻画出亚波长结构阵列的二维人工复合材料，在精密调控光波电磁场方面表现出前所未有的能力。在超构表面研究中，各向异性和各向同性纳米结构的超构表面均占据较大比例。通过选择合适的材料，合理设计超构表面单元结构的形状构造及尺寸参数，可以灵活地调整纳米结构的各向同/异性，优化出可以调控各种光学参量的纳米结构。例如，利用各向异性的纳米结构，可实现纳米尺度的线偏振器[1-8]、四分之一波片[9-10]及半波片[11-17]等偏振器件；再结合纳米结构的方向角、位移量等设计自由度，可以实现纳米尺度的振幅、相位、偏振、频率和光谱调控。

超构表面材料超强的光波操控能力、超紧凑结构、多功能性和与半导体工艺兼容等突出优点使得其在器件小型化和多功能集成方面具有很大的应用价值，具有广阔的发展前景。在此基础上，科学家们提出了许多具有独特功能的新型超构表面光学元件，如消色差透镜[18-23]、变焦透镜[17,24-26]、彩色全息[27-30]、涡旋光束产生器[31-33]、分子光谱测量[34-35]、斯托克斯参量偏振相机[36]等，极大地增强了超构表面在许多领域的研究和应用。得益于现代纳米制造技术的发展，光学超构表面在成像、传感、通信等多个领域正逐步走向实际应用，以适应光学器件日益微型化和集成化的发展趋势。

振幅是光波电磁场的基本参量之一，在微纳尺度上对入射光波的振幅进行任意操控具有重要的科学价值和实际意义。超构表面对光场振幅的调控机理主要分为两种：第一种是通过改变超构表面纳米结构的尺寸来实现多台阶的振幅调控；第二种则是通过排布各向异性纳米结构的方向角实现连续的振幅调控。本文将主要介绍基于超构表面实现振幅调控的原理和特点，回顾了近年来振幅型超构表面器件在高分辨率图像显示、高密度信息存储、信息加密、信息复用、光束整形、光信息处理和安全防伪等领域中的应用。

2 改变纳米结构的尺寸实现振幅调控

2.1 二元振幅型超构表面器件

振幅型超构表面器件指对振幅这一光参量具有调制作用的器件。传统光学中通过控制光学介质的局部透射或反射系数来实现振幅调控；同样地，通过局部调控超构表面材料的反射或透射特性，也可以实现振幅调控。最简单的是二进制幅度调控，即实现两个反射值或者两个透射值的振幅调控，这种可以实现二进制调幅的器件称为“二元（二台阶）振幅型光学器件”，可以应用于全息成像[37-43]。2012年，Haider Butt 等人利用多壁碳纳米管（MultiWalled Carbon NanoTubes，MWCNTs）结构优异的可控散射特性，实现了二元振幅型全息[37]，如图1(a)所示。全息片单元像素的尺寸为亚波长量级，所产生的衍射图像具有高达±50°的大视场角和高分辨率。此外，Kun Huang等人[38]通过实验证明了利用非周期性光子筛可以精确操纵光波，实现均匀、无孪生像和高衍射效率的全息，如图1(b)所示。他们根据单个亚波长纳米孔的衍射，采用遗传算法，成功地优化了偏振无关二元振幅型全息的性能，实现了衍射效率高达46%的全息。

由于超构表面的单元结构在亚波长量级，因此可以逐点调控电磁波的振幅。通过改进振幅型超构表面全息的设计算法，可以充分利用超构表面逐点设计这一灵活调控特性。2019年，Zhentao Xu 等人提出一种改进的Gerchberg-Saxton（GS）算法，通过迭代优化，可以获得两个由0和1组成的二元振幅分布，将其中一个振幅分布中为0（无孔）的一部分切换到1（有孔），可以得到另一个振幅分布。这种定量相关性可以理解为一种集合关系，即前者为后者的子集，通过增加/减少振幅为1或0 的像素，可以产生两幅具有定量相关性的二元振幅型全息图像[39]。以光子筛为调幅器件，如图1(c)所示，Sample A 的振幅分布为Sample B的振幅分布的子集，即在Sample A 的基础上增加了振幅为1的像素，可以看出二者投射出不同的全息图像。基于光子筛的二元振幅型器件对入射光的偏振态和波长均不敏感，因此不同偏振态和不同波长的光波只能再现出同一幅全息图像。如果将纳米结构的波长选择性与振幅调控相结合，可以实现多幅全息图像的记录和再现，提高了振幅型全息片的信息密度。2011 年，Benny Walther等人通过改变金属薄膜上的纳米孔的微观尺寸来调整透射系数[40]，在两个波长下分别再现了两幅不同的全息图像，如图1(d)所示[41]。类似地，2014年，Yunuen Montelongo等人利用等离子体纳米粒子的波长选择性，实现了两幅全息图像的复用[42]。除此之外，他们还将纳米结构的偏振选择性和振幅调控相结合，如图1(e)所示，针对正交线偏振光设计了两种纳米天线，将两种纳米天线正交排列构成一个全息片像素，通过改变入射光的偏振态，像素被局部“打开”或“关闭”，从而可以得到两种不同的振幅分布，实现偏振复用的二元振幅型全息[43]。

图1 二元振幅型超构表面器件。(a)基于碳纳米管[37]、(b)基于随机图案光子筛[38]和(c)基于光子筛的定量相关全息片[39]；(d)波长复用[41]和(e)偏振复用的全息片[43]Fig.1 Binary amplitude-only metasurface-based devices.(a)MWCNT-based meta-holograms[37];(b)meta-holograms based on random photon sieves[38];(c)quantitatively correlated meta-holograms based on photon sieves[39];(d)wavelength multiplexed[41]and (e) polarization multiplexed meta-holograms[43].

2.2 多台阶振幅型超构表面器件

二元振幅型器件的振幅调控能力有限，难以实现精细的振幅调控，因此需要提高振幅调控的台阶数。目前，科学家已陆续设计了V 型[44]、C型[45-47]、I型[48]、长方形[49-51]、十字型[52]等多种纳米结构来实现多台阶的振幅调控，如图2(a)～2(c)所示。通过改变纳米结构的尺寸，理论上可以实现连续的振幅调控，但由于加工精度的限制，一般只能实现台阶化的振幅调控。如果同时结合纳米结构的方向角进行几何相位调制，可以实现复振幅调制。2018年，Xu Song 等人基于图2(c)所示的纳米结构设计了一种复振幅光栅[49]，可以选择性地将入射光束分成若干束光并将其衍射到特定级次，同时抑制其他级次的产生。2019年，Adam C.Overvig等人通过改变纳米结构的尺寸实现了多台阶振幅调控，用于显示近场纳米印刷图像，在振幅分布确定的情况下，改变纳米结构的方向角实现了连续的相位调制，在远场显示了一幅复振幅全息图像[50]。

除此之外，传统光学中还存在另一种可以实现多台阶调幅的方式——迂回相位编码。迂回相位编码中，通过改变单元像素中孔的大小可以实现多台阶的振幅调控，调节孔的位置可以实现相位调制。将这种编码方式引入超构表面设计中，可以增加超构表面的设计自由度，使其光波调控能力更加强大，同时可以用于提高器件的信息密度。采取迂回相位编码的器件通常对光的偏振态不敏感，如果将传统的迂回相位编码设计与超构表面的偏振选择性相结合，可以获得具有复振幅调控能力和偏振复用功能的迂回相位超构表面（detour phase metasurfaces）[53-55]，通过改变每个像素中狭缝的宽度[53-54]或数目[55]实现多台阶振幅调控，调整狭缝的位置实现连续的相位调控。2016年，Changjun Min 等人利用亚波长金属狭缝的偏振选择性，设计了具有偏振复用功能的迂回相位超构表面[54]，可以在远场生成涡旋光和艾里光两种矢量光束，改变入射光的偏振态即可实现光束模式的相互切换，如图2(d)所示。除此之外，2017年，Zhenwei Xie 等人利用等离子体纳米狭缝阵列设计了迂回相位超构表面全息片（detour phase meta-holograms），实现了1000 nm 带宽（从可见光到红外光范围内）的三维物体重建和偏振复用全息图像显示[55]，如图2(e)所示。迂回相位超构表面具有对振幅、相位和偏振的高可控性、超紧凑尺寸和超宽带响应特性，在大容量轨道角动量（Orbital Angular Momentum,OAM）光通信、光束整形、3D宽带显示等领域具有广阔的应用前景。

图2 改变纳米结构的尺寸实现多台阶振幅调控。(a)V 型纳米结构[44]；(b)C 型纳米结构[45]；(c)长方形纳米结构[49]。迂回相位超构表面：(d)改变缝的宽度[54]；(e)改变缝的个数[55]Fig.2 Multi-step amplitude modulation by varying the dimensions of nanostructures.(a)V-shaped[44];(b)C-shaped[45];(c) rectangle-shaped[49].Detour phase metasurfaces obtained by(d)varying the width of the slits[54]and(e) varying the number of slits[55].

3 改变纳米结构的方向角实现振幅调控

除了纳米结构的尺寸外，纳米结构的方向角作为超构表面材料一个重要的设计自由度，已广泛用于调控光波的相位、振幅和偏振等光参量。其中，由各向异性变转角的纳米结构单元构成的几何相位超构表面（Geometric Metasurfaces,GEMSs）[11-13,16-17]在超构表面的研究历程中具有里程碑式的意义。当圆偏振光（Circularly Polarized,CP）入射至GEMSs时，入射光波的相位调控量等于纳米结构方向角的两倍，旋转纳米结构的方向角可实现连续的相位调控。几何相位超构表面可实现连续、任意、精密的相位调控，相位调控量仅与方向角有关，与光波频率无关，设计灵活、鲁棒性强，且在制造上仅需要简单的二台阶微纳光学工艺条件，因此近几年被科学家广泛研究应用。

3.1 双天线超构表面

若增加几何相位超构表面纳米结构的设计自由度，将两个相同的各向异性纳米结构组成一个双天线纳米结构单元[56-60]，能够同时调控入射光波的振幅、相位和偏振态，得到功能更丰富的超构表面光学器件。2017年，Gun-Yeal Lee等人提出了一种X 型双天线超构表面[56]，如图3(a)所示，该工作是对几何相位超构表面的拓展。X 型双天线纳米结构对光波的调制作用可以看做是两个各向异性纳米结构作用的叠加，当入射光为圆偏振光时，出射的反向圆偏振光的电场可表示为：

其中，θ1和θ2分别是两个纳米砖的方向角，由式(1)可以看出，通过调节两个各向异性纳米砖的方向角可以实现对圆偏振光振幅和相位的连续调控，振幅由两方向角之差确定，相位则由两者之和决定。

类似地，由两个相同但分离的各向异性纳米砖构成的双天线纳米结构单元也可以同时操纵光的振幅和相位。2017年，Quan Xu 等人通过图3(b)所示的双天线纳米结构调制光波的振幅和相位，实现了表面等离子体（Surface Plasmon, SP）全息[57]。

由式(2)和式(3)可知，出射圆偏振光和线偏振光的振幅均取决于两方向角之差，线偏振光的相位完全由迂回相位π(p1+p2)/p0决定，偏振态由两方向角之和决定。圆偏振光的相位由迂回相位和几何相位共同决定。之后采用光栅结构设计，利用光栅的色散效应，将从同一角度入射的不同波长的入射光衍射到不同方向。通过对红、绿、蓝三基色光的全息图加入合适的相移因子，便能在某一特定空间区域构建出全彩色复振幅矢量全息图像。进一步地，Yanjun Bao等人分别设计了对红、绿、蓝光具有窄带响应特性的双天线纳米结构，实现了全彩色的色度-饱和度-亮度（Hues-Saturation-Brightness,HSB）的任意调控[59]，如图3(d)所示。

图3 双天线超构表面用于(a)复振幅调控[56]；(b)表面等离子体全息[57]；(c)矢量全息[58]；(d)全彩色HSB任意调控[59]Fig.3 Diatomic metasurfacesfor (a)complex-amplitude modulation[56];(b)surface plasmon holography[57];(c)vectorial holography[58];(d)full color control with arbitrary hue-saturation-brightness[59]

增加纳米天线的个数，可以实现更复杂的振幅调控功能。例如，2020年，Qingbin Fan 等人提出了一种可以独立调控任意一对正交偏振态（线偏振、圆偏振或椭圆偏振）振幅的超构表面[61]。该超构表面由四天线纳米结构阵列构成，每个单元结构包含2×2个尺寸和方向角均可变的各向异性纳米砖。通过引入几何相位和传输相位调制，控制每个单元结构内部偏振相关的干涉相消或相长，使光的偏振态与振幅调制建立联系，进而实现对两正交偏振光振幅的独立调控。

3.2 马吕斯超构表面

近几年，科学家们受马吕斯定律启发，设想可以引入光波偏振态这一参数来间接调控光波的振幅。由马吕斯定律（Malus Law）可知，强度为I0的线偏振光，透过检偏器后，透射光的强度（不考虑吸收）为I=I0cos2θ，θ是入射线偏振光的光振动方向和线偏振器偏振化方向之间的夹角。对于任意各向异性纳米结构，其琼斯矩阵可以表示为：

由式(5)可知，通过改变纳米结构的方向角α可以实现连续的偏振调控，如果在后面放置一个透光轴与x轴夹角为θ2的检偏器，则最后的出射光可表示为：

由式(6)可知，改变纳米结构的方向角α可以实现连续的振幅调控。

这种基于马吕斯定律实现振幅调控的超构表面，简称“马吕斯超构表面（Malus metasurfaces）”[1-8,12,15,62-77]，由于这种超构表面往往只需要使用单一几何尺寸的纳米结构，无需优化多种尺寸的纳米结构，因此大大降低了设计复杂度和加工难度，为在亚波长尺度上操纵光的振幅提供了一种非常简便且巧妙的方法。更重要的是，入射光波的振幅调控只与纳米结构的方向角有关，与纳米结构的具体尺寸（只要是各向异性即可）和光波频率无关，因此具有高鲁棒性及宽带特性。

3.2.1单功能马吕斯超构表面器件

目前，马吕斯超构表面在信息隐藏[62]、图像显示[1,63-66]、光学全息[5,67-68]、安全防伪[15,64]、信息加密[65]等应用领域发挥着独特的优势。2018年，Fuyong Yue等人设计了可等效为半波片的纳米结构单元，将一幅具有256级连续灰度图像编码为随空间变化的偏振态分布，记录到单元像素大小为300 nm×300 nm 的马吕斯超构表面上[62]，如图4(a)所示。当线偏振光正入射到超构表面时，虽然光束偏振态发生变化，但呈现的反射光强度分布均匀，连续灰度图像隐藏在具有空间变化偏振态的矢量激光束中。只有在反射光路中加入线性检偏器，才可以解码显示出隐藏在反射光中的高分辨率连续灰度图像。2019年，Qi Dai等人利用电介质纳米砖中发生的磁共振效应设计了纳米偏振器（nano-polarizers）结构，根据马吕斯定律，将一幅连续灰度图像编码为超构表面的方向角分布，实现了分辨率高达84,667 dpi（每英寸点数）的灰度图像显示[1]，如图4(b)所示。

值得注意的是，马吕斯超构表面不仅可以实现亚波长量级连续精密的振幅调控，还可以实现正或负的振幅调控，而且振幅调控与波长无关，这种特性是传统的振幅型光学器件（透射率非负）所不具备的，通过巧妙设计马吕斯超构表面的方向角排布，可以在宽波带范围内消除传统振幅型器件不可避免的零级光。Rao Fu 等人利用马吕斯超构表面独特的正负振幅调制特性，消除了振幅型全息中的零级干扰光，再现了高质量的同轴2D全息图像[5]，如图4(c)所示。进一步地，通过计算机模拟物光波和参考光波的干涉记录过程，将三维物体的复振幅信息转化为干涉条纹的强度信息，并记录到基于马吕斯超构表面的振幅型器件上，实现了同轴3D全息[6]。除了全息外，Xin Shan等人还设计了基于马吕斯超构表面的振幅型叉型光栅，用于产生涡旋光束[7]。

除此之外，马吕斯超构表面的偏振控制为安全防伪提供了新的方法。如图4(d)所示，2019年，Chunmei Zhang等人利用马吕斯超构表面将防伪图像嵌入到一幅全息图像中，只有使用检偏器才能解码出非均匀偏振分布光束中的防伪图像[64]。马吕斯超构表面还可以扩展到非线性光学领域。2019年，Yutao Tang 等人利用马吕斯超构表面实现了非线性光学信息加密[65]。超构表面由三重旋转对称（threefold rotational symmetry）的金纳米结构单元构成，利用其非线性效应，入射的基波（Fundamental Wave, FW）被调制为二次谐波（Second Harmonic Generation,SHG），改变纳米结构的方向角可以局域化地操纵SHG 波的偏振态。只有插入一个检偏器，才能将SHG 的矢量偏振分布变为强度分布，显示出加密的光学图像，如图4(e)所示。

图像作为人类感知世界的视觉基础，是人类获取信息、表达信息和传递信息的重要手段，人眼感知或相机记录的光学图像通常具有随空间变化而变化的强度分布或颜色分布，图像通常需要借助于显示器、打印机、绘图仪、胶片记录仪等图像输出设备显示。传统图像显示器件像元尺寸较大，导致图像分辨率低，难以显示更为精细的图像信息，而且工艺复杂，体积大。马吕斯超构表面的精密调控能力为无缝混色和高分辨率的彩色图像显示提供一个有广阔应用前景的平台。2018年，Xiaofei Zang 等人提出将马吕斯超构表面和纳米结构的波长选择性相结合，将颜色和强度信息同时编码为具有空间变化偏振态分布[14]，如图4(f)所示，通过单层电介质超构表面实现了亚波长像素级别的彩色图像显示。2020年，Pengcheng Huo等人利用低损耗的电介质马吕斯超构表面，展示了一幅色彩逼真、立体感强、具有油画质感的艺术作品《戴珍珠耳环的女孩》[66]，如图4(g)所示。超构表面由周期性排列的多胞元（supercell）构成，每个多胞元包含3种尺寸不同，分别对红、绿、蓝光具有窄带波长响应的各向异性的纳米柱组成，这3种纳米柱的方向角决定了R、G、B 3种颜色的混色比例，可以实现全彩色任意色度、饱和度和亮度调制。

图4 马吕斯超构表面的应用。(a)信息隐藏[62]；(b)高分辨率灰度图像显示[1]；(c)消零级振幅型全息[5]；(d)安全防伪[64]；(e)信息加密[65]；(f)彩色图像显示[14]；(g)全彩色图像显示[66]Fig.4 Applications of Malus metasurfaces.(a)Information hiding[62];(b)high-resolution grayscale image display[1];(c)zeroorder-free amplitude-only holography[5];(d)security and anti-counterfeiting[64];(e)information encryption[65];(f)color image displays[14];(g)full color image displays[66]

马吕斯超构表面结构简单、超紧凑，可以克服光学系统复杂、像素尺寸大等缺点，可生成具有更高空间分辨率的光学图像，大大提高了图像质量、数据存储密度和器件紧凑度。因此，超构表面材料在高密度光信息存储、高端防伪、信息加密等领域具有广阔的应用前景。

3.2.2复用型马吕斯超构表面器件

近几年来，随着应用层次的不断深入，对信息容量的需求日益增长，信息复用成为了超构表面领域新的研究热点。多路信息复用技术能够更大效率的利用现有硬件设施，在不增加成本的前提下尽可能地提高信息容量，借助于波长复用[41]、空间频率复用[4]和偏振复用[2-3,69-77]等方式，可以将不同的信息记录到同一个超构表面器件上，增加器件的信息容量，还可以实现多通道的独立信息操控。

通过对各向异性纳米结构尺寸进行优化，可以对不同偏振态的光波进行独立调控，超构表面的这种设计自由度被广泛应用于偏振信息复用[2-3,69-77]。2013年，Lei Wang等人设计了一种可等效为纳米偏振器的等离子体纳米孔结构，利用其偏振相关性，实现了偏振复用的二值图像、灰度图像和动态图像显示[69]。2019年，Jinying Guo等人将偏振复用和马吕斯超构表面结合，实现了两幅二值图像的独立显示[70]。Yang Chen 等人提出了一种由两种阶梯式V 型纳米孔手性对映体结构组成的手性马吕斯超构表面，实现了正交偏振复用的灰度图像显示[71]，如图5(a)所示。两种手性对映体结构对右旋圆偏振光（Right-Handed Circularly Polarized,RCP）和左旋圆偏振光（Left-Handed Circularly Polarized,LCP）具有不同的透过率，将这两种结构在空间上以图像像素的形式交错排列在同一个超构表面上，通过改变入射圆偏振光的旋向，像素被局部地“打开”或“关闭”，透射光被调制为两种不同的随空间变化的偏振态分布，经过检偏器后被转换成两种不同的强度分布，显示出两幅完全不同的高分辨率连续灰度图像。这种具有亚波长空间分辨率和高数据密度的手性灰度成像方法为图像显示、信息加密、高密度信息存储和光学信息处理等领域的应用提供了一种通用的设计方法。两种非正交的偏振态也可用于信息复用，2019年，Yang Chen 等人提出了一种由三维等离子体螺旋纳米孔构成的马吕斯超构表面，实现了非正交偏振复用的图像显示[72]，如图5(b)所示。正向入射圆偏振光显示出一幅二值图像，反向入射线偏振光则显示一幅连续灰度图像。

图5 复用型马吕斯超构表面。(a)正交偏振复用[71]；(b)非正交偏振复用[72]；(c-f)基于转角简并性的偏振复用[73,75-77]Fig.5 Multiplexing Malus metasurfaces.(a)Orthogonal-polarization multiplexing[71];(b)nonorthogonal-polarization multiplexing[72];(c-f) polarization multiplexing based on orientation degeneracy[73,75-77]

对于马吕斯超构表面来说，除了偏振相关性之外，马吕斯定律中还存在一个光强对应多个方向角的有趣现象，称之为转角简并性（Orientation Degeneracy,OD）。基于此原理，科学家们利用单一尺寸的纳米结构设计出多通道超构表面，在不增加制造难度的情况下进一步提高超构表面器件的信息存储密度[73-77]。2020年，Juan Deng 等人利用转角简并性，通过马吕斯超构表面实现了双通道信息防伪[73]，如图5(c)所示。该超构表面由尺寸相同仅方向角不同的纳米砖阵列组成，在不增加纳米结构设计和制造负担的情况下，通过偏振控制实现了连续灰度图像与完全/部分独立、相关或水印防伪模式的切换。超构表面防伪具有超致密性、强隐蔽性等优点，该工作为超构表面用于高端光学防伪及其他相关领域的深入研究和应用提供了基础。

进一步研究发现，马吕斯超构表面的振幅调控和几何相位超构表面的相位调控均来源于对各向异性纳米结构的方向角调控。马吕斯定律中蕴含的转角简并性为超构表面信息复用提供了一种崭新的设计自由度，能在实现振幅调控的前提下赋予超构表面额外的几何相位设计自由度。2020年，Liangui Deng 等人利用由一种尺寸的纳米结构构成的马吕斯超构表面，同时实现了对线偏振光的振幅调控和对圆偏振光的相位调控，实现了近场图像显示和远场全息两种功能的复用[75]。当线偏振光入射时，在超构表面产生连续灰度图像，入射光切换至圆偏振光时，在远场产生二台阶或四台阶的相位型全息，如图5(d)所示。该设计中，近场的纳米印刷图像与远场全息图像彼此独立，不存在任何串扰。马吕斯定律转角简并性将纳米结构蕴含的设计自由度进行了更为充分的利用，为超构表面功能复用提供了一种简单、高效、高信息密度、无串扰的技术方案，在高密度光存储、信息隐藏等领域具有广阔的应用前景。

进一步地，Zile Li等人将马吕斯超构表面与传输相位相结合，通过一个超构表面实现了一个通道的纳米印刷图像显示和两个通道的全息图像显示[76]。超构表面的每一个纳米结构单元都包含了3个通道信息，需要通过3种不同的方式来解码各通道中存储的信息。线偏振光入射时，将超构表面放置于正交光路（起偏器和检偏器的透光轴方向相互垂直）中，可以显示出近场的纳米印刷图像；左旋和右旋圆偏振光分别入射至超构表面时可以在远场得到两幅完全不同的全息图像，如图5(e)所示，而且各通道信息相互独立，互不干扰。而Qi Dai 等人将纳米结构的波长选择性与马吕斯超构表面相结合，设计了两种尺寸不同的纳米结构，实现了对光谱、振幅、相位这3个光参量的独立调控[77]，如图5(f)所示。将结构色图像显示、连续灰度图像显示以及全息图像显示3种功能集成到一个超构表面上。该工作所提出的高集成度、高信息密度的多功能超构表面设计方法，在信息加密、高密度图像存储显示、光学防伪等相关领域具有广阔的应用前景。

由于超构表面在精密灵活操控电磁波方面具有非凡的优势，其结构特征尺寸低至纳米量级，周期特征尺寸则低至亚波长量级，可以极大缩小光学系统的体积，同时降低系统的重量和功耗。本文回顾了近年来光学科研工作者们在振幅调控超构表面及其相关功能性器件的研究进展。通过综合分析上述文献，对各种振幅型超构表面的振幅调控方式、特点等进行了总结归纳和对比，如表1所示。

表1 不同类型的振幅型超构表面的振幅调控方式及特点对比Tab.1 Comparison of the amplitude control methods and characteristics of different types of amplitude-modulated metasurfaces

4 总结与展望

二元振幅型超构表面加工简单，可用于全息成像，但由于其只能实现二台阶振幅调制，应用比较受限。多台阶振幅型超构表面可以通过改变纳米结构尺寸实现多台阶振幅调制，可用于灰度纳米印刷图像显示，结合方向角这一自由度可实现复振幅调制，用于设计光栅、全息片等，但由于需要不同尺寸的纳米结构，其制造相对复杂。双天线超构表面可实现连续的振幅和相位调制、偏振态调控，可用于连续灰度/全彩色纳米印刷图像显示、矢量全息、复振幅全息、纳米印刷及全息图像融合显示。马吕斯超构表面不仅加工简单，而且可以连续调制光波振幅，非常适用于显示具有丰富灰度信息的纳米印刷图像和振幅型全息，其所具有的正负振幅调制特性可以用于消除全息中常见的零级光；同时，马吕斯超构表面的转角简并性为信息复用、功能集成开辟了一条新的途径。

整体而言，由于振幅型超构表面器件的振幅分布并不是均一的，所以振幅调控本身就会损失一部分光波能量，因此振幅型超构表面的效率无法像相位型超构表面（振幅为1）那样高。虽然振幅型器件存在能量利用率低的问题，但随着大面积超构表面加工工艺技术的逐步完善，通过增加超构表面面积可有效缓解能量利用率低所带来的应用缺陷。除此之外，超构表面在动态调控上还不尽人意，尽管通过偏振或者化学的方法可以实现一些动态切换，但是仍无法实时对振幅分布进行任意调控。

虽然存在以上问题需要解决，但是振幅型超构表面可以实现宽波带消除全息图像的零级光，同时也非常适用于纳米印刷这一独特的应用场景，还可以有效地与相位、偏振、光谱等参量的调控相结合，因此有望诞生诸多新型的光波调控器件，在高分辨率多通道图像显示、光学防伪、光学信息加密、高密度信息存储、多功能成像等方面展现出巨大潜力。