超构表面像素化偏振调控：从经典到量子 | 专题封面

偏振描述了电场振荡的矢量特性，在光学探测、光学成像、全光计算及光量子技术等诸多领域具有广泛应用场景。像素化偏振光场可以为新物理效应的发掘和新工程应用的开发提供有效途径。湖南大学段辉高教授团队围绕经典和量子领域内超构表面的像素化偏振调制技术作了详细总结，相关成果以“超构表面像素化偏振调控及应用：从经典到量子领域”为题发表在《光学学报》“超构光学3.0：光场调控前沿与赋能应用”专题，并被选为封面文章。

封面解读

封面展示了基于超构表面实现经典和量子领域的像素化偏振调控。超表面借助定制化的亚波长结构引入局域或非局域的光与物质相互作用，实现对光场的灵活、多维度调控。超构表面为经典和量子光学范畴内实现像素化偏振调控带来重要机遇，在偏振矢量调制器、偏振矢量全息、偏振纠缠量子态调控和偏振纠缠成像等领域具有广泛应用。

链接：杨辉, 胡跃强, 景辉, 段辉高. 超构表面像素化偏振调控及应用：从经典到量子领域（特邀）[J]. 光学学报, 2026, 46(10): 1013001.

1、研究背景

新兴的光子科技领域，例如光通信、光探测、光计算和光量子等都在不断开发光子的物理维度作为携带信息的载体。迄今为止，光子的本征物理维度（振幅、相位、偏振和波长等）已经渐渐被开发殆尽。在此背景下，亟须开发新的物理维度以满足光子科技领域的发展需求。偏振矢量（即空间像素化的偏振分布）具有一系列独特性质（如天然的抗干扰能力、相互之间复杂的映射关系和量子比特的有效载体等），可以开发为光子科技领域新的理想信息载体。

在传统技术路径中，为实现对光波偏振态的有效调控，研究人员往往需要借助一系列分立光学器件的组合，这导致整个偏振调制系统笨重、体积庞大，与现阶段光子器件轻量化和小型化的需求背道而驰。超构表面作为一种由亚波长尺度结构单元在平面上周期排列构成的二维人工材料，能够支持丰富的局域或非局域电磁模式，已迅速发展为经典与量子光学领域功能多样、高精度和集成化光学平台。

超构表面领域的迅猛发展，也为在经典和量子光学范畴内实现像素化偏振调控带来了重要机遇。一方面，构成超构表面的单元结构具有亚波长级尺寸，能够将传统SLM和DMD的微米级像素单元缩减至纳米尺度，从而有效缩小器件尺寸，有利于偏振矢量器件向轻小型化发展；另一方面，其独特且精确的逐个单元相位调控策略可以天然地契合像素化偏振调控的需求，同时也能够显著改善器件的空间分辨率。在此背景下，在经典与量子研究领域，国内外学者利用超构表面针对偏振矢量特性进行了广泛探索，并已取得诸多具有重要价值的科研成果。

2、关键研究进展

段辉高教授团队的特邀综述重点回顾了超构表面赋能的偏振矢量光学的基本原理和新兴应用，涵盖经典和量子光学两个领域；系统梳理了超构表面在经典与量子光学范畴内，针对像素化偏振矢量特性的调控、探测及其相关应用的研究现状，如图1所示。

图1 超构表面赋能的像素化偏振调控概述图。在经典光学与量子信息领域，超构表面作为一种新兴平台，为实现像素化的偏振调控、探测及相关应用提供了理想的解决方案

2.1 超构表面偏振矢量调控

近年来，基于超构表面的像素化矢量光场调控取得了突飞猛进的发展，并在经典和量子计算、通讯和成像等领域展现独特的应用潜力。在经典领域，偏振矢量调控典型的代表有矢量全息、矢量光束、和拓扑偏振结等；在量子领域，超构表面光子操控方面展现出增强的分布式与集成化能力，能够通过对光子偏振矢量的调控，实现偏振及其高维纠缠态的生成、调制与分配。总而言之，这类平面化偏振调制器件不仅简化了传统的实验配置，其亚波长尺度也更契合光子器件集成化的发展趋势，有望推动偏振相关领域的进一步突破。

图2 超构表面矢量光场在经典领域的典型应用现状。（a）矢量模式的宇称霍尔效应示意图;(b)超容量完美矢量涡旋光束加密展示;(c)偏振矢量模拟计算示意图;(d)柱矢量光束复用与解复用通信示意图;(e)室外场景全stokes偏振成像示意图;(f)偏振矢量梯度实现微粒操控示意图

2.2 超构表面赋能的偏振矢量检测

在经典领域，随着超构表面的快速发展，该平台已被证明能够实现精确、高效的偏振矢量检测，展现出广泛的应用潜力。目前已提出多种基于超构表面的矢量光束测量装置，包括通过探测光场的差异直接反演或者使用神经网络快速地获取入射光束完整的高阶Stokes参数（包含光学奇点和斯托克斯参数）等。与此同时，超构表面相关量子测量技术也取得了快速发展，该技术利用量子叠加、量子纠缠与量子压缩等物理现象作为高精度测量基准，对被测系统进行调控，以达到超越经典测量技术的测量精度。目前，基于偏振纠缠的典型量子测量的案例有多光子干涉态重构、量子偏振态测定、偏振贝尔态测定和时间延迟测定等。

2.3 超构表面偏振矢量应用

像素化偏振光场可广泛应用于超分辨率显微成像、光通信、光学微粒捕获和操纵、光学微纳加工和量子信息处理等诸多领域。用超构表面实现的像素化偏振调控技术，能够促进相应光学系统在体积和重量上的缩减，并提升其集成度，这有助于增强该技术在实际场景中的应用。在经典领域，主要对像素化偏振光场在若干代表性应用领域的研究进展进行了梳理与评述，例如光学全息成像、加密、计算、通讯以及微粒操纵，如图2所示。在量子领域，超构表面通过其亚波长尺度内的光子多维度操控能力，有望从根本上改变纠缠调控范式。它不仅能够在微纳尺度上高效产生纠缠态，更能通过对每个“超构原子”相位与偏振响应的精确定制，直接调控贝尔纠缠和高维纠缠态，从而将量子信道容量与信息处理维度提升至新高度。在此，研究人员重点回顾了偏振纠缠在成像、全息、逻辑运算和矢量光场调控领域的典型应用案例，如图3所示。

图3 超构表面偏振纠缠应用研究现状。（a）超构表面量子纠缠边缘成像示意图；（b）基于量子弱测量的相位重构示意图；（c）多模式量子成像示意图；（d）超构表面量子全息擦除器示意图；（e）偏振复用超构表面实现贝尔态纠缠全息示意图；（f）超构表面实现量子受控-Z门示意图;(g)量子远程连续调控矢量涡旋光示意图

3、总结与展望

超构表面在波前调控上呈现出前所未有的优越性能，可在亚波长尺度上对偏振态进行像素级的精确调控，在光通讯、光探测、光计算和光量子等诸多领域具有重要应用场景；同时也为像素化偏振矢量光场在经典和量子领域的调控、检测和应用提供了一个理想平台。随着功能材料的持续发展，以及纳米制备技术（例如纳米压印、自组装技术等）的不断进步，超构表面器件的加工精度、可扩展性和成本控制预计将逐步改善。在这些技术和工艺的共同推动下，超构表面所实现的偏振矢量调控功能，有望逐步克服现有瓶颈，在未来实现从实验室样品到商业化产品的过渡。

团队简介

湖南大学平面光学先进设计与制造团队面向高端领域的光电系统轻量化、集成化和智能化迫切需求，致力于平面光学元件及极简光电系统的理论设计、精密制造、多维集成和应用推进的研究。团队由1名国家杰青、3名国家级青年人才在内的50余名师生组成。团队成员背景多元，涵盖光学设计、微纳加工、器件封装、精密测试及应用转化等关键领域，形成了一个优势互补、高效协作的研究集体。

团队主持和完成国家重点研发计划项目、国家自然科学基金以及大型企事业单位委托开发项目30余项，在Nature Nanotechnology、Nature Energy、Light: Science & Applications、Nano Letters 等国内外期刊上发表论文290余篇，总引18000余次，申请和授权发明专利80余项。获全国百篇优秀博士学位论文、中国十大新锐科技人物、湖南省先进科技工作者、微系统与纳米工程优秀青年科学家奖、湖南省科技进步一等奖、机械工业科技进步二等奖、山西省自然科学二等奖等荣誉。