超穎介面與平面光學 (Metasurfaces and Flat Optics)
黃耀緯助理教授
在更輕更薄的元件上更高效率操控光一直是人們的願景，無論在顯微生醫影像、通訊技術、太陽能電池提升效率或消費光電產品等應用領域上，找尋更高效率的光調控元件為極重要。而隨著奈米科技與奈米光學的發展，我們已可利用次波長的奈米結構形成的「介面」，來任意操控光的相位、振幅、偏振、色散等。這個領域就叫做「超穎介面 (metasurfaces)[1]」，「meta」這個希臘字根代表的意思是超越(beyond)，而「surface」就譯作介面，顧名思義，就是超越以往我們對於「介面」的認知，形成各種看似「異常」的光操控。這與「超穎材料 (metamaterials)[2]」相似，是近10年蓬勃發展的研究領域，然而不同的是，超穎材料偏重結構的「週期性」，利用集體共振的形式來操控光；而超穎介面則著重於結構的「二維分佈」以及各個奈米結構的「獨立性」，利用奈米結構近場的相位與振幅來調控遠場的光，有著繞射光學的性質，又不侷限於傳統繞射光學元件的限制[1]。
超穎介面是如何在介面上操控光的呢？我們在光子學有學到惠更斯-菲涅耳原理(Huygens-Fresnel principle)：波前的每個點會形成新的點波源，相干疊加後在空間中重新建構出下一個波前，又稱為二次波。當光從一個材料傳播到另一個不同折射率的材料，在介面上也會重新建構二次波，因為光在兩材料折射率不同、走的速度不同，折射光的波前就會往不同方向前進，此原理可以解釋折射 (refraction) 與反射 (reflection)現象，也就有了司乃耳定律 (Snell’s law)。而超穎介面的原理相似，如圖1(a)，超穎介面在介面上有各種不同的奈米結構，光在不同結構中有的走得快，有的走得慢，形成所謂的「相位差」，這些不同相位的新點波源也會相干疊加，在空間中形成各種波形的二次波[1]。如果我們將空間相位分佈設計成透鏡所需相位，就會是超穎透鏡(metalens)[3-5]，我們也可以設計各種不同空間相位分佈，製作超穎全像片 (metahologram)[6]、光束轉向 (beam steering)[7]，甚至可以產生光學渦旋 (vortex beam)[8]。而這些利用超穎介面形成的光學與光學元件，我們統稱為平面光學 (flat optics)[1]。
圖1 超穎介面原理與例子。(a) 超穎介面利用空間中不同的奈米結構，使波前在不同位置有走得快走得慢，進而操控二次波的波前[1]。(b) 超穎透鏡照片[5]。(c) TiO2 超穎介面電子顯微鏡圖，每個奈米柱高度接近工作波長[8]。
超穎介面由不同幾何形貌、材料、或電壓的奈米結構分佈於介面上所構成。隨著奈米科技的發展，各種材料的奈米結構陸續研究，如金屬 (Au, Ag, Al, etc.)、介電質(Si,TiO2, GaN, etc.)、半導體 (ITO, graphene, GST materials, etc.)。設計超穎介面時，會依照所需的要求 (靜態、光調控或電調控)、波長範圍 (可見光、紅外或微波)、與偏振喜好(線、圓偏振或任意偏振) 來選擇不同的材料與結構形式。以筆者做過的超穎介面為例子[5, 8]，如圖1(b, c)，一個在可見光工作的超穎透鏡大約為公釐到公分等級，尺寸可用不同製程方式與需求而增大或縮小，每個奈米結構高度接近工作波長，這個比例就好比在一個標準跑道 (400公尺) 的操場 (長軸 145 公尺) 上，每一根草無論胖瘦，都長 3公分高！
近年來超穎介面相關研究，已從平面光學元件進展到光學系統之中，除了改善原有龐大體積的光學系統以外，客製化的光學特性也能提供光學系統更多選擇。圖2 所示為筆者在加州理工學院與哈佛大學期間以超穎介面應用在光學系統的例子。以電調控的光束轉向 (beam steering) 超穎介面，可達 10 MHz 調控頻率(相當於 100 奈秒調控速度)[7]，調控速度是液晶的106 倍，且像素大小達到次波長尺度，可應用於汽車光達(lidar) 之中，減小目前汽車光達厚重體積。相較於破壞性、冗長程序的切片診斷，即時的非破壞性高解析度生醫影像可幫助醫生與病患做早期腫瘤診斷，我們製作的超穎透鏡改善目前傳統肺部內視鏡的相差，解析度達到接近繞射極限[3]。消色散鏡頭組通常需要許多鏡片，而我們研究的非色散超穎透鏡則只要一片鏡片，以此改善虛擬、擴增實境 (VR/AR) 厚重頭盔問題[4]。多工的超穎透鏡可以共享光圈、同時拍攝兩張不同焦長照片，並以此高速解析影像深度訊息 (高達 200 幅/秒)[5]。超穎介面除了操控入射光以外，也可以在雷射共振腔裡面直接操控雷射光！我們研究的超穎介面可以改變光的角動量，激發非對稱「光學渦漩」雷射光[8]。
平面光學無論在健康檢測、自動車、穿戴裝置、測距應用或是雷射光發展都有前沿的發展。隨著更輕更薄更多元的超穎介面平面光學推陳出新，加快了傳統光學的演進，先進科技與下一世代智慧光學系統會一直不斷革新，期待將來帶給人們更優質便利的生活。
參考文獻：
[1] N. Yu and F. Capasso, Nature Materials 13, 139–150 (2014).
[2] Y.-W. Huang et al., Optics Express 20(2), 1760–1768 (2012).
[3] H. Pahlevaninezhad et al., Nature Photonics 12, 540–547 (2018).
[4] Z. Li et al., Science Advances 7(5), eabe4458 (2021).
[5] Q. Guo et al., PNAS USA 116(46), 22959–22965 (2019).
[6] Y.-W. Huang et al., Nano Letters 15(5), 3122–3127 (2015).
[7] Y.-W. Huang et al., Nano Letters 16(9), 5319–5325 (2016).
[8] H. Sroor et al., Nature Photonics 14, 498–503 (2020).
