【光电进展】颠覆性技术：元光学

近期，国际期刊Nature Photonics发表了一篇论文，文中阐述了一种颠覆性技术：元光学。由于可以形成完美透镜的负折射率材料的概念化，元光学技术在进入21世纪后得到蓬勃发展，尤其在最近五年里发展迅速，目前每年有大约3000篇文献发表。

研究人员对不断发展的元光学领域回顾发现，机器人和自动驾驶汽车的眼睛将比人眼看到的更多。

元光学正在推动科学和技术的发展，远远超过人们在视觉人机界面上所依赖的已有3000年历史的光学范式，例如通过手机、显微镜、无人机和望远镜中的镜头。用光学元件将科幻故事中的东西带入日常设备是元光学旨在改变的技术瓶颈。

研究人员发现，元光学领域的最大驱动力来自于将元光学元件和设备整合到光学系统中，从而提供消费级光电子应用。重要的是，元光系统实现了以前无法想象的新型应用，为所谓的工业4.0增添了新的活力。这些应用包括物联网、自动驾驶汽车、可穿戴设备、增强现实和遥感。苹果、谷歌和三星等公司的大规模投资表明了该技术的重要性，他们一直在该领域进行投资，特别是开发视觉应用。但除了视觉之外，元光学的非传统特性也可用于光帆、LiFi和热管理。

与传统的反射镜和透镜光学不同，这些特征来自于元光学对规则纳米级结构表面的使用。其结果是微型元件可以令艾萨克·牛顿震惊的方式散射和操纵光线。第一批使用这些特征的商业组件已经上市，Metalenz、NILT technologies和Meta Materials Inc等公司提供了平面金属镜、偏振成像、显微镜和生物传感。这些设备还能够获得人眼无法检测到的偏振和相位等光的属性，甚至可以用来设计、操纵和量子态的光，可以用于量子成像、传感和通信。

但研究人员也发现了该领域的挑战。其中第一个挑战是能否扩展到与当前行业标准CMOS（互补金属氧化物半导体）制造技术兼容的工业流程，特别是因为大多数元光学元件依赖于透明衬底，而CMOS并非如此。其次，他们发现制造可调谐或可重构的超材料以实现动态元件的能力，就像电视屏幕上的像素每秒可以改变许多次颜色一样，是难以实现的。这是一个未解决的问题，研究人员将其作为该领域的主要挑战提出来。如果这些挑战能够得到解决，那么元光学技术就有巨大的潜力。

作为一个平台，元光学非常灵活，它可以进入电话、电脑、汽车、卫星等任何产品。它为光学元件的尺寸、重量和功率方面提供了极致的小型化；它实现了传统光学（如3D视觉和增强现实）无法实现的人机界面，这在传统光学中真的很难实现。最后，如果研究人员能够改变通过组件的光的相位，那么他们将能够进行几乎所有的图像处理。

（八三五八所 靳婷）

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