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人为料系统。
其重大科学代价及运用前景得到了天下各国科技界、家当界、政府及国防部门的高度关注。

而光学超材料一贯是超材料学科中最主要的组成部分之一，是超材料在信息科学领域中运用的主要表示。

本文环绕人工智能超材料、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

超材料的奇特性子紧张是源于其分外的几何构造以及尺寸参数，通过合理设计超材料的几何参数和空间构型可以打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的事情提出了一种利用亚波长介电谐振子以显著增强光-物质的相互浸染的方法，在纳米级激光器、量子光子和传感器等领域有广泛的运用前景，为开拓集成非线性纳米光子器件供应了一个平台。

纳米级亚波长的AlGaAs独立圆柱体谐振器中得到增强的二谐波产生

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根本举动步伐集成，在变频光纤激光源、全光旗子暗记处理、光纤传感器等领域有着广泛的运用。

层状二维材料硒化镓赞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等的事情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运用对低能耗、高速、强调制比、小体积和片上集成等性能有较高哀求。

宋清海团队提出了钙钛矿超表面中拓扑保护BIC全光开关事理，担保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落激光阈值，从而办理传统全光开关中超短切换韶光与超低能耗之间的抵牾，有望成为终极实现光打算和量子打算的关键步骤。

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主要进展，实现了对硅纳米盘光散射相应靠近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、打破衍射极限的超分辨定位能力，将有可能在晶圆光刻构造的无损原位检测等领域发挥主要浸染。

亚波长尺度硅纳米盘光热效应示意图

光学频率梳在计时、测距和光谱学等主要领域中有着广泛的利用。

传统的光频梳构造繁芜、本钱高昂，对利用环境的哀求高。
近年来，多个研究团队一贯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。

一个国际互助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运器具有划时期的意义。

孤子微梳构造示意图

目前非线性超材料较低的转换效率限定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、构造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占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运用前景。

目前的紧张发展趋势集中在2个方面：人工智能打算赞助设计超材料构造；利用超材料对光的调控能力实现仿照光打算。

近几年，逐渐有研究职员考试测验将深度学习网络引入到超材料的构造设计中。

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。
对付这一类多层叠加的繁芜构造，神经网络极大地降落了打算韶光。

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构造中，使得超表面对付外界入射光的角度变革自动调节自身参数，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构造中示意图

深度学习可以高效地赞助超材料设计，可用于建立超材料、光子晶体等光子构造和波长、相位、轨道角动量等相应之间的联系。

深度学习用于光子构造设计框图

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打算器件，战胜电子打算功耗大和运算速率限定的问题。

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，在功耗和处理速率上远远优于电子打算机。

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浸染，提高了对物体特色参数的提取效率，加快图像识别演习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运用。

发展非线性超材料可以实现更为繁芜的智能算法，实现更多场景下的光学打算，如繁芜图像识别、光子打算机等。

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构造上实现对入射光的调控。

比较三维的体超材料，光学超表面在加工上具有很大的上风，同时由于其具有超轻、超薄的特点，易于集成在微型扮装备中，减轻设备的重量和体积。

超表面由于其精良的相位、振幅和偏振掌握能力，可用于实现波前操控以及偏振转换等运用，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，有望办理量子光学领域目前碰着的难题，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互助，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，有望运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上风，为集成量子设备供应了一个新的平台。

基于超透镜阵列的高维多光子量子源

主动掌握器件和设备在当代光学系统中具有主要的浸染，通过引入外场调控，可以对超表面每个组成单元的相应进行独立调控，从而实现超表面性能的主动掌握。
主动掌握型超表面作为研究热点一贯为人们所关注。

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丈量。

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，具有高强度比拟度，快相应速率（毫秒量级）以及极好的可重复性，有望运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运用范围。

相位交错排列的办法通过在每个周期性单元中引入多个纳米介质柱构造，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。

偏振多路复用技能紧张利用各向异性纳米介质柱在2个主轴方向上相位相应的差异，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相应。

扩展现有超表面的运用范围，将超表面运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运用于稠浊集成光子网络以及光学打算等领域。

Lien等利用超表面器件代替传统的光学元件，通过掌握分裂波束的偏振状态，实现了原子的冷却，这种办法在量子传感、量子打算等领域中具有潜在的运用代价。

原子冷却超表面示意图

张诚等利用氧化铪制备得到了事情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主要的运用代价。

Jia等战胜了单层二维材料对相位和振幅调控不充分的毛病，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根本。

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子与灵巧的设计思想而在当代材料学领域崭露锋芒，极大地拓展了材料学的研究视野，为填补常规材料性能短板供应了新思路。

中国对超材料的发展非常重视，已经提升到了计策高度。
如何得到原创性的、具有实际运用前景的以及与其他学科交叉领悟从而推动多领域进步的事情成为光学超材料的未来发展方向。

2020年的光学超材料领域，从其自身观点的进一步拓展，到研究方法、研究思路的提升，以及向实际运用的逐渐推进，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主要影响。

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。

论文全文揭橥于《科技导报》2021年第1期

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