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前沿综述 | 马耀光团队在《Adv. Opt. Photon.》发表超构表面综述教程长文，构建传统和新兴范式的统一框架
导言
近年来，超构表面（metasurfaces）作为平面光学的重要前沿方向，在成像、显示、量子光学和光学计算等多个领域取得快速发展。随着研究不断深入，该领域呈现出明显的加速演化与跨学科融合特征：非局域效应、手性响应、拓扑相位、奇异点、莫尔调控以及时空超构表面等新机制持续涌现，与光子晶体、连续体中的束缚态、拓扑光子学、非厄密物理、傅里叶光学等方向的联系愈加紧密。在这一背景下，传统以相位调制与波前工程为核心的理论框架已难以全面涵盖迅速扩张的物理版图。
为应对这一挑战，浙江大学光电科学与工程学院马耀光研究团队近日在国际权威期刊 《Advances in Optics and Photonics》发表长篇综述教程《Fundamentals to emerging concepts and applications of metasurfaces for flat optics: a tutorial》，对超构表面领域进行系统梳理，构建出一个贯通传统机制与新兴概念的统一理解框架。文章从基础物理、设计范式到典型应用展开整体组织，力图以结构化、连贯化的方式呈现超构表面十余年的发展脉络与前沿趋势（图 1）。
该教程篇幅长达 270 页，包含 73 幅图示与 830 篇参考文献，系统性与覆盖面在相关领域中极为少见，体现了当前超构表面研究在理论深度与应用广度上的显著成熟。同时，作者团队配套在 Github 上开源了一个基于 Python 控制 Lumerical FDTD 的全流程自动化设计项目，为构建工程化、可复用的超构表面设计与仿真链路提供了重要支撑。
图 1. 综述教程的结构示意图
构建超构表面研究的统一图景
随着超构表面研究不断向更深层次推进，来自光子晶体、非线性光学、莫尔光学等方向的思想持续汇入，使得超构表面的概念体系在近几年迅速扩张。大量新机制与新现象虽已被分别深入研究和汇总综述，但整体性的物理图景仍相对缺乏，研究者在理解不同概念之间的关联时常面临割裂的问题。
本教程尝试从底层物理逻辑出发，将传统超构表面理论中的相位调控机制，与近年来兴起的非局域谐振、手性响应、奇异点及复频率激发等方向置于同一框架下进行讨论。文章对谐振相位与传播相位的关联（图 2）、局域与非局域谐振的区分、超构光栅中的衍射作用、手性响应的琼斯矩阵描述、“非局域”概念的混淆和澄清，以及复频率超构表面的首次提出等关键问题进行了重新梳理，旨在为当前快速涌现的新概念建立更清晰、更结构化的物理体系。
在构建整体图景的同时，教程也对超构表面的厚度约束、效率边界等基本性能限界进行了讨论，为未来在大面积、宽带、高效率等方向上的器件设计提供了更加坚实的理论基础。
图 2. 材料色散和谐振相位对传播相位的影响
重新审视超构表面的正向设计与逆向设计体系
在超构表面设计领域，正向设计与逆向设计长期并行发展，但二者的适用前提、优势与局限在文献中往往缺乏系统性的总结。本教程在团队多年来的设计实践和方法研究基础上，对这两类设计范式进行了更为清晰的梳理与分析。
对于基于局域周期近似的传统正向设计，教程不仅归纳了其以“超构原子数据库”为核心的设计流程，也对其隐含的物理假设及在宽带、大视场和复杂功能器件中的潜在瓶颈进行了全面分析。在逆向设计部分，教程结合团队在优化算法、深度学习等方向的长期探索，对现有逆向方法进行了重新的分类和梳理（图 3），比较了它们在搜索空间、收敛特性、可解释性与工程可用性方面的差异，并指出影响其大规模应用的关键限制。
通过对两类方法的再审视，教程不仅揭示了正向设计与逆向设计在超构表面中的角色定位，也强调了它们在未来发展中可形成的互补关系，为研究者在方法选择和策略组合上提供了更具实践价值的参考。
图 3. 基于优化理论的超构表面逆向设计
跨应用视角下的超构表面设计思想与方法总结
在众多超构表面应用方向中，教程选取了五个具有代表性的研究领域——超构透镜、超构全息、量子光子学、光学计算与主动超构表面——并从核心物理、性能指标、设计方法到发展脉络进行了结构化总结。相较于简单罗列文献，教程更注重从这些应用背后提炼共性的设计理念与物理约束，帮助读者把握跨场景的普适规律。
在超构透镜部分，教程以理想成像条件为起点系统推导了各种典型的相位分布（图 4），重构了评价指标的分析方法；在全息应用中，则对性能表征、散斑形成机制、大视场全息的校正策略（图 5）等关键问题进行了深入讨论。量子光子学、光学计算与主动调控三个方向则呈现出超构表面与相关学科深度融合的趋势。教程通过梳理相关应用中的核心机制，总结出色散调控（图 6）、复振幅控制、多路复用方式、视场限制与效率边界等影响多类器件的共性主题。
这种从典型应用反推设计逻辑、再凝练普适机制的写法，旨在帮助研究者在不同应用之间实现理念迁移，也为未来在复杂功能器件的设计中建立更清晰的思路提供参考。
图 4. 超构透镜的不同相位分布及其聚焦效果
图 5. 大视场全息的校正算法及其效果
图 6. 消色差超构透镜中的色散调控机制
展望：从物理深度到工程广度的未来十年
展望未来，超构表面研究正站在新的转折点上：一方面，更深层次的物理机制正逐步显现——无论是超构原子间的耦合主导的非局域模式、时间自由度的引入，还是量子态与复频率激发带来的非经典光场操控，都预示着光与物质相互作用将走向更高维度、更强关联的范式；另一方面，随着设计算法、仿真软件与制造技术的协同演进，超构表面正在获得前所未有的工程潜力——大规模仿真、快速优化、大批量的加工制备技术等关键瓶颈正加速被突破，使大面积、多功能与商业化成为可期的方向。同时，超构表面与量子信息、光计算、集成光子学、微纳光纤等领域的进一步融合，将催生新的应用场景与技术路线。可以预见，未来十年超构表面将沿着“更深的物理理解”与“更广的工程应用”双轨推进，在基础研究与工程实践的双重驱动下，逐渐从可行性验证迈向体系化技术，为光子学的发展打开新的增长空间。
【论文信息】
该论文的完成单位为浙江大学光电科学与工程学院、极端光学技术与仪器全国重点实验室、杭州国际科创中心、浙江大学嘉兴研究院智能光电创新中心。论文通讯作者为马耀光教授，第一作者为博士生高宇斌。该研究得到了国家自然科学基金优青项目、浙江省自然科学基金杰青项目、国家重点研发计划项目的支持。
论文链接：
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