元光学：你没有预见到的颠覆性技术

元光学正在推动科学和技术的发展，远远超出了我们所依赖的视觉人机界面的3000年光学范式。光学元件是元光学旨在改造的技术瓶颈，将科幻故事中的东西带入日常设备。“它在尺寸、重量和功率方面实现了光学元件的微型化;它实现了传统光学无法实现的人机界面，比如3D视觉和增强现实，这在传统光学中非常困难，”内舍夫教授说。

　　

   

   

图片:中心主任(前面，左起第三个)Dragomir Neshev教授和学生、研究人员和国际合作者在2022年11月举行的“在一起更好-在一起我们是元”会议上庆祝团队成就。    

图片来源:Jacob Jennings Photography

一项对不断发展的元光学领域的综述发现，机器人和自动驾驶汽车的眼睛将比人眼能看到的多得多。

元光学正在推动科学和技术的发展，远远超出了我们依赖于视觉人机界面的3000年光学范式，例如通过手机中的摄像头、显微镜、无人机和望远镜中的镜头。光学元件是元光学旨在改造的技术瓶颈，将科幻故事中的东西带入日常设备。

这一领域在21世纪初蓬勃发展，这要归功于一种具有负折射率的材料的概念，这种材料可以形成完美的透镜，在过去的五年里增长迅速，现在每年大约有3000篇论文发表。

这种加速的研究量是科学家和技术人员无法驾驭的，来自元光学研究领域的领导者为，ARC转型元光学系统卓越中心的中心主任Dragomir Neshev教授，澳大利亚国立大学物理学教授，以及堪培拉新南威尔士大学的Andrey Miroshnichenko教授。

作者写道:“元光学领域的最大驱动力来自于将元光学元件和设备集成到光学系统中，为消费者提供光电子应用。”

“重要的是，元光学系统实现了以前无法想象的新应用，增加了所谓的工业4.0。这些应用包括物联网、自动驾驶汽车、可穿戴设备、增强现实和遥感。”

苹果、谷歌和三星等行业巨头的大规模投资表明了这项技术的重要性，他们一直在招聘毕业生，并在该领域进行投资，特别是开发视觉应用程序。

但作者指出，除了视觉之外，元光学的非传统特性也可以用于光帆、LiFi和热管理。

这些特征来自于元光学使用规则纳米级结构的表面图案，与传统的镜子和透镜光学形成对比。其结果是微小的组件，散射和操纵光的方式会让艾萨克·牛顿大吃一惊。

第一批使用这些特性的商业组件已经上市，Metalenz、NILT technologies和Meta Materials Inc等公司提供了平面超构透镜、极化成像、显微镜和生物传感。

这些设备还能够获得人眼无法探测到的光的特性——例如偏振和相位，甚至可以用于设计、操纵和量子态的光，可用于量子成像、传感和通信。

但作者也发现了该领域面临的挑战。首先是能够扩展到与当前行业标准CMOS兼容的工业流程(互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor)的制造技术——特别是因为大多数元光学元件依赖于透明衬底，而CMOS不是。   

其次，他们发现制造可调或可重构超材料以实现动态组件的能力——就像电视屏幕上的像素每秒可以多次改变颜色一样——是难以捉摸的。

“这是一个尚未解决的问题，我们提出了该领域的主要挑战。这是该领域的关键因素，现在每个人都需要它，”内舍夫教授说。

“有一种误解，认为这已经完成了——人们迈出了一小步，在他们的论文中展望了遥远的未来。但实际上，没有人能够在像素级上对大型阵列进行相位调制。”

内舍夫教授说，如果这些挑战能够解决，那么元光学技术就具有巨大的潜力。

“作为一个平台，元光学非常灵活，它可以应用于任何产品，例如手机、电脑、汽车、卫星。

“它在尺寸、重量和功率方面实现了光学元件的微型化;它实现了传统光学无法实现的人机界面，比如3D视觉和增强现实，这在传统光学中非常困难，”内舍夫教授说。

“最后，如果我们可以修改穿过组件的光的相位，那么我们将能够进行几乎任何图像处理。这将是重大的游戏规则改变者。”