深圳大学袁小聪教授、闵长俊团队：从“4f系统”到“单片超构器件”，超构表面重塑超快结构光场调控 | 专题亮点

时空光学涡旋等新型结构化脉冲光场的出现，推动了超快结构光场调控研究的发展。传统基于4f脉冲整形系统的调控方法存在体积庞大、结构复杂、稳定性不足等问题；而超构表面凭借超薄、易集成和多功能调控等优势，为超快结构光场的产生与调控提供了新方案。

深圳大学袁小聪教授、闵长俊教授课题组的特邀综述“基于超构表面的超快结构光场调控研究进展”系统阐述了基于超构表面的超快结构光场调控研究进展，涵盖超构表面与4f系统结合的脉冲整形方法，以及基于单片超构器件的二维时空涡旋、三维时空全息和非线性时空光场等调控新方向，并展望了该领域未来的发展趋势。该特邀综述被选为《光学学报》“超构光学3.0：光场调控前沿与赋能应用”专题亮点文章。

文章链接：王埼臻, 李榕熙, 邓亚栋, 张硕硕, 张聿全, 闵长俊, 袁小聪. 基于超构表面的超快结构光场调控研究进展（特邀）[J]. 光学学报, 2026, 46(10): 1013003.

随着飞秒激光与阿秒科学的发展，人们对超快时间尺度下光与物质相互作用的研究不断深入。与此同时，结构光场研究也快速发展，研究者开始关注光场在空间、时间、偏振以及轨道角动量等多个自由度上的联合调控。近年来，相继提出时空光学涡旋（STOV）、时变偏振脉冲、自扭矩脉冲等一系列新型结构化超快光场；这些光场不仅具有更加复杂的时空结构，还在高维光通信、超快成像、信息处理及光与物质相互作用等领域展现出重要应用潜力。目前，超快结构光场的产生大多依赖基于空间光调制器（SLM）的4f脉冲整形系统。该系统能够对不同频率分量进行独立调控，从而实现脉冲振幅、相位与偏振态的灵活控制。然而，传统4f系统通常需要光栅、透镜、SLM等多个器件协同工作，整体系统尺寸较大，且光路复杂、稳定性要求高，不利于未来集成化光学系统的发展。超构表面的出现，为解决这一问题提供了新的思路。通过设计亚波长尺度的人工微纳结构，超构表面能够在单片器件上实现对光场振幅、相位、偏振及色散等多自由度的精确调控，并具有超薄、紧凑、易集成等优势。因此，基于超构表面的超快光场调控逐渐成为超构光学与超快光学交叉领域的重要研究方向。

图1 超构表面超快光场调控体系总览图

传统超快结构光场的产生主要依赖SLM-4f脉冲整形系统，其核心思想是在傅里叶频谱面上通过SLM对不同时空频率分量进行独立调控，从而重构目标时域波形与空间结构。在这一体系中，超构表面的引入成为关键突破点：通过将其嵌入4f系统的频谱面，可以替代传统SLM器件，实现更高自由度、更高集成度的频域调控。一方面，研究者利用超构表面实现飞秒脉冲的精确整形，包括脉冲压缩、展宽以及复杂波形编码；另一方面，通过引入振幅、相位与偏振的协同调控能力，进一步实现了结构化超快光场的合成。图2展示了一种基于超构表面与4f系统结合的时空傅里叶脉冲合成方案，可在单一平台上实现对频率分量的多参数调控，从而构建复杂的瞬态结构光场。

图2 基于超构表面的结构化时空脉冲光场调控。(a)时空傅立叶变换脉冲合成器示意图；(b)脉冲相位、振幅、偏振、波前调控

总体而言，该路线的本质是：在经典4f系统框架内，用超构表面替代核心调制元件，从而显著提升系统的调控维度与集成潜力。

随着超构表面能力的提升，人们研究逐渐从“嵌入4f系统”走向“完全摆脱4f系统”，即在单片器件上直接实现超快结构光场的产生与调控；其中最具代表性的研究方向是时空光学涡旋（STOV）的产生。STOV光场在二维时空平面中携带拓扑相位结构，其轨道角动量分布同时依赖空间与时间维度，显著拓展了传统光学涡旋的自由度。近年来，研究者通过对称性破缺、ENZ响应、BIC/quasi-BIC拓扑态等机制，在单层超构表面中实现空间频率与时间频率的耦合，从而直接在输出光场中形成时空相位奇点。图3总结了多种典型STOV产生方案，展示了从材料设计到拓扑机制驱动的不同实现路径。

图3 透射式STOV的产生。(a)基于对称破缺介质纳米光栅的STOV产生；(b) (c)基于ENZ超材料的1阶及2阶STOV产生；(d)基于倾斜纳米光栅的STOV产生；(e) 基于金属错位光栅的STOV产生

与传统4f系统相比，这类方案最大的特点是不再依赖4f光路，而通过单片器件直接编码时空结构，实现真正意义上的“片上超快光场生成”。

在二维时空结构光场的基础上，研究者们进一步拓展至三维时空域（x–y–t）的联合调控，实现更加复杂的动态光场构建。典型代表是超快时变全息光场：通过在超构表面中引入空间频率复用机制，不同全息区域对应不同时间延迟，使得光场在飞秒时间尺度内呈现序列化演化。图4展示了一种单片超构表面实现的时变全息方案，可实现轨道角动量随时间变化，以及全息图案的超快动态切换。

图4 超快时变全息光场的产生。(a) 全息器件频域分布；(b) 时变全息光场示意图；(c) 光场测量光路示意图；(d) 时变OV脉冲结果；(e) 时变全息字母结果

这一类研究表明，超构表面已经从“空间波前调控器件”逐步发展为“时空信息编码平台”，能够通过单一器件实现三维时空结构光场的构建与动态演化。

基于超构表面的超快结构光场调控正从4f系统增强走向单片器件直接生成的新阶段。未来发展可集中在三个方面：一是拓展时空维度与多自由度耦合，实现更复杂的结构光场调控；二是发展动态可重构超构表面与新材料体系，提升主动调控能力与带宽；三是推动片上集成光子系统融合，实现超快光场的芯片化产生与应用。该方向有望推动超快结构光场在高维通信、超快成像与光计算领域的应用发展。

闵长俊，深圳大学特聘教授，博士生导师，国家优秀青年基金获得者，教育部新世纪优秀人才。在纳米光子学、表面等离激元、光学旋涡、光镊、超快显微成像、超表面器件等领域取得多项创新成果，已发表SCI论文200余篇，他引7000余次，发表期刊包括Nature Communications、Light- Science & Applications、Advanced Materials 等，2019年至今连续入选全球前2%科学家影响力排行榜。主持科技部国家重点研发计划、基金委重大研究计划重点项目等科研项目20余项。荣获2012年中国仪器仪表学会金国藩青年学子奖、2013年中国光学重要成果奖、2018年教育部自然科学二等奖。担任中国光学学会理事、深圳市量子信息学会理事等。

王埼臻，深圳大学博士后，主要从事微纳光学与超快光场调控研究，在超表面器件设计与超快结构光场调控方面已具备较好的研究基础。以第一作者发表多篇论文，发表期刊包括Laser & Photonics Reviews、Applied Optics、Journal of Applied Optics、《光电子·激光》、《光学学报》等；参加国际学术会议并作英文口头报告1次（Photonics Asia 2025, Beijing, China），另有2项实审阶段发明专利。