无序马赛克超表面艺术渲染图，图片来源: Chi Li

导读

近日，澳大利亚蒙纳士大学纳米光学实验室 任浩然 博士团队与英国埃克塞特大学，南非金山大学合作者在 Nature Communications 发表重要研究成果，题为“ Disordered mosaic metasurfaces with scalable functional density ”。研究人员提出一种受艺术马赛克启发的 "无序马赛克超表面"

（Disordered Mosaic Metasurface, DMM）新范式。该工作首次将"功能密度"（Df = 功能数量/单位面积）确立为超表面设计的核心指标，通过工程化无序与光学选择性协同，实现多功能并行集成而不增加设计复杂度，为片上光子系统的小型化与高密度集成开辟新路径。

一、功能密度——小型化集成光学的"终极瓶颈"

光学超表面（metasurface）作为平面光子学的核心平台，凭借亚波长尺度对光场相位、振幅与偏振的精准调控，已在成像、传感、量子信息、光计算等领域展现出变革性潜力。随着光子系统向芯片级集成、便携式设备、片上实验室方向演进，如何在有限孔径内高效集成多种独立功能，已成为决定超表面技术能否真正落地的关键科学问题。

然而，当单片超表面需承载多种独立功能时，传统设计范式迅速触及物理极限。这涉及三重根本性矛盾：

1. 设计自由度饱和：单个超原子（meta-atom）难以同时满足多波长、多偏振、多波前的相位调控需求；

2. 光学选择性不足：缺乏强共振或矢量响应机制时，不同功能通道易产生串扰；

3. 面积冗余浪费：传统"全孔径专用"范式下，未参与某功能的区域无法被其他功能复用。

破局之道，往往源于跨界洞察：2024年，通讯作者任浩然博士在南非克鲁格国家公园参会期间，酒店墙上一幅无序马赛克艺术品成为关键启发：画面中色彩各异的像素块看似随机散落，实则通过色彩自然分组，在无序中协同勾勒出完整图像。研究团队敏锐意识到，若将这一美学逻辑迁移至光子学设计——以工程化无序排布替代严格周期阵列，并辅以强光学选择性实现通道隔离，即可让不同功能的“元像素”在同一孔径内“静默共存”。每个功能仅在特定波长、偏振或轨道角动量激发下独立激活，其余区域保持光学“静默”，从而为其他功能腾出物理空间。

这一“无序马赛克”新范式，能否彻底打破面积与功能密度的传统权衡？在保持衍射极限光学性能的同时，实现功能数量的线性可扩展？

本工作通过严谨的理论推导、纳米加工与光学表征，给出了肯定答案。下文将结合核心图表，逐层拆解该团队如何将“艺术无序”转化为“光子有序”，实现功能密度的跨越式突破。

图1展示了这项重要工作的概览，即无序马赛克样式的超表面平台。

图1： 无序马赛克超表面平台示意图

二、核心机制：无序采样如何破解“面积-性能”权衡？

传统超表面设计默认“全孔径专用于单一功能”，但这本质上是一种空间资源冗余。研究团队首次将功能密度 D f = 1/ p （ p 为功能有效面积占比）确立为可量化、可扩展的核心指标，并通过严谨的数值模拟揭示了“无序采样”的物理优势 (图2)。总结为三点，① 极低面积阈值 ： 模拟仿真结果表明，即使仅保留 1% 的随机像素，系统仍能将光场约束至设计焦区（图2b）。这意味着 99% 的孔径空间可被“回收”并复用给其他功能通道。② 无序度量化： 引入空间自相关指数 Moran's Im 表征有序-无序过渡（图 2c）。在利用同等面积时，当 Im 从 1（完全有序）降至 0（完全随机）时，SR 从 0.6 跃升至近 1.0，证实工程化无序是提升面积利用率的关键自由度。③ 设计复杂度零增加： 无需全局联合优化（图2d），各功能通道的相位分布可独立设计后直接随机嵌合，从根本上规避了传统多色散/多偏振协同设计的“组合爆炸”难题。

表1. 采样策略对照表

图2：无序增强的功能密度原理

三、技术基石：非局域共振元像素与强光学选择性

无序排布的前提是通道间零串扰。团队采用 T 形非晶硅（a-Si）元像素，依托微尺寸准连续域束缚态（qBIC）最小功能单元实现高光谱选择性。

最小功能单元：实验标定支持显著 qBIC 响应的最小元像素（Meta-pixel）为7×7 个单元 （图3b）。

共振调谐：通过横向几何缩放因子（0.7–1.0），共振峰可连续调控（图3c）。每个波长通道仅在其共振峰处高效透射，偏离波长被强烈抑制。

相位编码鲁棒性：qBIC 模式支持面内 0–2π 旋转几何相位调控，且共振线型在旋转过程中保持稳定（图3d），确保无序排布下相位分布的精确性。

最终在约8 um的最小功能单元上实测共振品质因数 Q≈150，这为多波长/多偏振通道的独立编码提供了坚实的光学滤波基础。

图3：微型非局域元像素的光学选择性实验表征

四、实验验证Ⅰ：8.1 mm大孔径消色差透镜——“化繁为简”的设计哲学

为验证 DMM 平台的可扩展性，团队制备了包含 11 个波长通道（1200–1400 nm）、孔径达 8.1 mm 的超表面消色差透镜（1000×1000 元像素阵列，图4a, b）。

对比传统单波长参考器件（焦移约 2 mm/100 nm 带宽，图4c），DMM 透镜在全波段内焦距几乎恒定（图4d）。焦移压缩至 ~1/30。同时，平均 Strehl Ratio = 0.78±0.07，实测点扩散函数（PSF）与理论衍射极限高度吻合（图4f）。

范式颠覆：无需复杂的色散工程（dispersion engineering），仅需将多个独立单波长透镜的相位分布图随机采样嵌合。传统方法受限于单个超原子自由度，大孔径消色差设计极其困难；DMM 平台则彻底解耦了“孔径尺寸”与“设计复杂度”的强耦合。

图4：消色差超透镜实验验证

五、实验验证Ⅱ：矢量光场与拓扑结构的“瞬时快照”—— 单发偏振检测

除波长复用外，DMM 范式同样适用于偏振与结构光场调控。团队将三组偏振选择性光栅（H/V、D/A、L/R 圆偏振）无序嵌入同一孔径，实现动量空间（k-space）映射分离：

单发全斯托克斯测量：无需机械扫描或多相机阵列，单次曝光即可重构任意空间非均匀偏振态。

超高空间分辨率：理论标定最小可靠投影面积仅 3.2 μm × 3.2 μm（对应 8×8 个超原子），突破传统偏振相机的像素串扰瓶颈。

拓扑光场表征：成功对径向/方位角矢量光束成像，并首次利用该平台单发测量光学斯格明子（Skyrmion）。实验测得拓扑荷数 0.987，与理论值 0.999 高度一致（图5f），验证了 DMM 在复杂矢量场拓扑分析中的可靠性。

图5：矢量光场单次"快照"探测应用

六、前景展望

无序马赛克超表面（DMM）平台的核心价值，在于为高密度光子集成提供了一条“反直觉”却极具普适性的设计范式。凭借“功能密度可扩展、设计复杂度不增加”的独特优势，该框架有望在多个前沿方向激发链式创新：在宽谱成像与生物医学领域，可突破传统色差校正瓶颈，实现轻量化多光谱诊断；在偏振传感与矢量光场解析方面，为复杂拓扑光场的单发、高分辨探测提供底层光学元件；在多维光通信与量子信息领域，则为波分/偏振复用及量子态调控开辟低串扰集成路径。更重要的是，该平台天然支持更高维度的功能融合——例如将消色差透镜与偏振分析仪层级化集成于单一孔径，或结合人工智能逆向设计，迈向动态可重构的智能光子器件。无序，有望成为下一代紧凑型多功能光学系统的“新秩序”。