文章概述：色散是所有光学材料的基本特性。它对消色差聚焦、宽带全息术和高速数据传输造成了根本的限制。人们试图通过调控材料的化学成分来控制色散，但这十分困难。超表面通过构建超原子的几何结构，为色散工程提供了更灵活的途径，能够在纳米尺度上以可重复的方式改变材料的neff。色散工程超表面可以按需模拟光学器件的色散特性，进而成为消色差聚焦、波长依赖性全息、多功能器件和脉冲整形的理想平台。消色差特性主要由相移器的相位和群延迟,即一阶色散决定。（相移器的相位：单色光垂直通过超表面相移器后，光场相位的滞后量。消色差要求宽波长范围内，相移器能提供恒定的相位差。群延迟：特征频率的光在介质中传播的时间延迟。）
内容分类：①多波长控制可以通过交错超像素、导模共振、耦合超原子和堆叠超表面等多种方式实现。②超表面辅助结构可应用于脉冲整形和时空光控制。③基于超表面的一维脉冲整形装置，脉冲光可以通过与单个超表面直接相互作用实现整形。
各部分内容具体实例：
1-1可见光频段介电超表面用于多波长消色差和高色散全息图：
每个超分子中的硅纳米块分别对应一种原色波长，通过调节纳米块的面内取向施加几何相位，实现多波长光的独立调制。几何相位由结构的几何取向决定；共振波长由结构尺寸决定。通过调整结构的面内取向角，让不同共振波长的光获得不同的几何相位。让不同波长的光实现不同的功能。而且可以有效的避免不同波长光束彼此串扰的问题。通过硅纳米块组成的超分子实现红、绿、蓝三波长独立相位操控，重建彩色全息图像。
1-2单层超表面的可控多波长功能：
通过不同位置上设计不同尺寸超表面结构单元对光束造成相位调制。在 455 nm、540 nm、700 nm 波长下分别产生 l=2、l=1、l=0 的聚焦光束，对应效率分别为 31%、37%、33%，平均效率 34%，与空间复用的理论平均效率上限（33.4%）相当，实验结果与数值仿真吻合良好。
1-3基于双层超表面的多功能超构光学器件：
图a：在两层中均采用纳米柱单元胞，实现对两个不同波长的相位独立控制；双层结构可在两个不同波长下编码独立的纯相位全息图。图b：在两层中均采用偏振敏感谐振器，实现对两个不同波长的偏振独立控制，采用两种不同的谐振器结构，可进一步拓展设计空间。图c ：将用于相位控制的纳米柱结构与用于振幅控制的强谐振纳米盘结构相结合，实现相位与振幅的独立控制。通过双层非晶硅纳米柱结构实现在两个不同红外波段下1180nm和1680nm的两个相互独立的全息成像。利用垂直堆叠结构替代空间交错，避免了超原子间的横向耦合，提升了成像质量和效率，可实现复振幅调制。
2-1 利用频率梯度超表面实现时空光控：
频率梳光源：具有一组等间距且相位锁定的谱线。设计原理：频率梳光源与设计的被动超表面相互作用，为频率梳中的每条谱线构建独特的空间场分布。由于这些谱线相位锁定，它们各自的空间场分布会发生相长干涉，形成四维光学场，其中空间光强分布会自然地随时间演化。a(t)：2N+1条不同角频率、振幅的单色光脉冲相干叠加而成。rn：光学光源的位置位于(0,nd) 处。r：到阵列中心（0,0）的距离。b(r,t)：远场中时空场的分布形式。G(r−rn)：格林函数，第n个光源在rn处发射的光，传播到观测点r的辐射响应；eik∣r−rn∣：空间相位因子，光从光源传播到观测点的空间相位延迟； eiωnt：时间相位因子，描述光源光场随时间的振荡特性；图D展示了计算得到的光强 I (r,t)=|b (r,t)|² 在不同时间的分布情况，其中光源阵列为41个柱面光源光源间距 d=360nm，中心波长 λ₀=720nm，Δω=2π×100 GHz=2πΔf。当扫描时间远快于光在观测区域内的传播时间时，光束会呈现弯曲状态，这与快速旋转的水管喷出水流的弯曲现象类似。
3-1利用介电超表面实现超快光脉冲整形：
在该装置中，输入光脉冲首先经光栅进行光谱色散；随后，离轴金属抛物面镜将脉冲中每个角分离的频率分量聚焦到其焦平面内沿特定的x轴方向，在焦平面内形成沿x方向延伸的焦斑（长度约 2.2 cm）。超表面作为空间光调制器，提供反常色散来抵消正常色散带来的影响，对每个光谱分量进行独立的相位和振幅控制。
3-2通过纳米涂层实现超短脉冲压缩：
图a所示：该纳米涂层可直接涂覆于传统光学元件上，补偿元件的群延迟色散，或集成到现有激光系统中实现超短激光脉冲压缩。3种纳米柱直径越大，压缩器的全工作范围越向长波长偏移。全工作范围的平均群延迟色散(GDD)为-65fs²，线性工作范围的GDD为-120~-128 fs²，是反常色散的直接证据。
文献来源：Science 376, 367 (2022) 22 April.
文章作者：Ahmed H. Dorrah, Federico Capasso.
报告人：丁玺铮
