Adv. Photon. Nexus | 突破传统超表面限制，虚拟超表面实现可编程红外上转换成像

发布时间：2026-09-14来源：爱光学

APN

诺丁汉特伦特大学、布雷西亚大学与南开大学联合团队提出可编程虚拟超表面方案，解决传统固态超表面加工后功能固定、红外相机成本高、光谱带宽窄的痛点，成果发表于Advanced Photonics Nexus。

论文信息

（点击查看论文）Nonlinear virtual lens for programmable and multispectral infrared upconversion imaging

用于可编程和多光谱红外上转换成像的非线性虚拟透镜

作者：Ze Zheng, Olga Sergaeva, Davide Rocco, Yuchen Zhang, Guoquan Zhang, Mohsen Rahmani, Costantino De Angelis, Lei Xu【诺丁汉特伦特大学；布雷西亚大学；National Institute of Optics (Italy)；南开大学】

研究简介

过去十余年，超表面（Metasurface）因其能够在亚波长尺度精确调控光的振幅、相位、偏振等特性，被认为是下一代光学器件的重要发展方向，在成像、显示、传感、通信等领域取得了快速发展。然而，这些研究大多围绕着同一个目标 - 设计和制造性能更优的纳米结构。由于传统超表面的光学功能由其物理结构决定，一旦加工完成，其功能便基本固定。尽管近年来出现了基于相变材料、液晶、MEMS等技术的可调超表面，但仍然需要依赖特定材料或器件实现有限范围的调控，在重构速度、调控自由度和功能扩展性方面仍面临一定挑战。因此，一个新的问题逐渐浮现：如果超表面的功能不再依赖于固定的纳米结构，而是由光场实时构建和定义，是否能够实现真正意义上的可编程光学？

针对这一挑战，英国诺丁汉特伦特大学（Nottingham Trent University）、意大利布雷西亚大学（University of Brescia）和中国南开大学组成的国际研究团队提出了一种全新的 “虚拟超表面（Virtual Metasurface）”概念。研究团队利用空间光调制器（SLM）实时调控泵浦光场，在非线性频率上转换过程中动态构建"虚拟"超表面，从而摆脱了传统纳米结构对光场调控的限制。通过软件编程即可在毫秒时间尺度内重构光学功能，无需重新设计或加工任何器件，实现了真正意义上的"软件定义光学（Software-defined Optics）"。

图片说明：可编程虚拟超表面示意图。空间光调制器（SLM）对二维像素阵列上的光场相位和振幅进行实时调控，在铌酸锂薄膜中动态构建虚拟超表面，实现焦距和输出频率的可编程调节。

图片来源：Zheng et al., Advanced Photonics Nexus

在此基础上，研究团队成功实现了可编程红外上转换成像，并展示了以下三项创新成果：

提出虚拟超表面的全新概念。通过在非线性频率转换过程中构建由光场形成的"虚拟"光学结构，将传统依赖纳米加工的静态超表面扩展为可实时编程、动态重构的新型光学平台。
实现了可编程非线性虚拟透镜。仅需修改SLM加载的相位分布，即可实时调节透镜焦距位置，无需移动、更换任何光学元件，突破了传统透镜焦距固定的限制。
实现多光谱红外上转换成像。不同波长的红外光在系统中对应不同的最佳成像平面，可在同一平台上实现红外图像向可见光图像的转换以及多光谱信息的区分，为低成本红外探测、计算成像和智能机器视觉提供了新的技术方案。

该研究将传统"依赖纳米结构设计光学功能"的思路扩展为"通过软件实时定义光学功能"，为红外成像和波前调控提供了一种全新的实现方式。尽管未来仍需进一步提高频率转换效率，并验证其在实际应用中的性能，但该研究已为基于虚拟超表面的可编程光学系统奠定了重要基础。

作者简介

郑泽（Ze Zheng），英国诺丁汉特伦特大学（Nottingham Trent University，NTU）研究员。本科毕业于南开大学物理学院（2021），并于2025年在英国皇家学会（Royal Society）资助下获得诺丁汉特伦特大学工程学博士学位。他是国际光学工程学会（SPIE）诺丁汉特伦特大学学生分会创始人及负责人之一，主要研究方向为介质超表面的建模及复杂光学表征，重点应用于成像与传感。

Olga Sergaeva，意大利布雷西亚大学（University of Brescia）信息工程系博士后研究员。2016-2018年曾在美国密苏里大学哥伦比亚分校从事博士后研究。主要研究方向包括纳米光子学、非线性光学以及超快光与物质相互作用。

Davide Rocco，意大利布雷西亚大学信息工程系副教授。分别于2012年、2015年和2019年获得布雷西亚大学电子与通信工程学士、通信技术与多媒体硕士及信息工程博士学位。研究方向涵盖集成光子学、硅光子学、微波光子学、超表面以及面向通信和传感的先进光子器件。

张煜晨（Yuchen Zhang），天津城建大学理学院讲师。本科毕业于辽宁师范大学物理学专业，2024年获得南开大学光学博士学位。研究方向为基于铁电材料的微纳光电子器件。

张国权（Guoquan Zhang），南开大学物理学院教授，分别于1993年、1995年和1998年获得南开大学物理学学士、硕士和博士学位。主要研究方向包括集成光子学、非线性光学和量子光学。

Mohsen Rahmani，英国诺丁汉特伦特大学教授。2013年获得新加坡国立大学博士学位，随后在英国帝国理工学院和澳大利亚国立大学开展博士后研究，并获得澳大利亚DECRA青年基金。2020年加入诺丁汉特伦特大学，先后获得英国皇家学会Wolfson Fellowship、英国UKRI Future Leaders Fellowship和欧洲研究委员会（ERC）Consolidator Grant资助。曾任IEEE英国及爱尔兰分会纳米技术专业委员会主席，研究方向包括超表面设计及其在非线性成像、生物传感和可重构光学中的应用。

Costantino De Angelis，意大利布雷西亚大学电磁场与光子学教授。1993年获意大利帕多瓦大学博士学位，曾任该校电磁场与光子学助理教授，1998年加入布雷西亚大学，并于2004年晋升为教授。目前担任布雷西亚大学NORA（Nonlinear Optics Research Activities）研究组负责人，研究方向包括非线性光学、纳米光子学和光学超材料。

徐雷（Lei Xu），英国诺丁汉特伦特大学副教授。2014年获南开大学光学博士学位，随后在南开大学、澳大利亚国立大学和新南威尔士大学开展博士后研究，2020年加入诺丁汉特伦特大学。曾任IEEE英国及爱尔兰分会纳米技术专业委员会主席，荣获首届SPIE Advanced Photonics Young Innovator Award（2025）。主要研究方向包括线性与非线性超光子学研究与应用，以及结合人工智能技术的新型光电超构器件的设计与应用。

APN最新指标

最新影响因子（2025）：6.3
Citescore（2025）：8.6
JCI（2025）：1.54
JCR分区：光学（OPTICS）Q1区 (18/129)

文章转载自SPIE光学工程微信公众号

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