综述："元"-光学纤维：回顾与展望

本综述系统梳理了"元"-光学纤维这一前沿交叉领域，重点介绍了基于超表面（metasurface）的光纤端面集成技术，详细阐述了其材料平台、几何设计、纳米加工方法，以及在聚焦、生物/光学传感（bio/optical sensing）、结构光生成等方面的创新应用，并对未来光学功能拓展、规模化制造及下一代光子技术应用前景进行了展望。

　　

从传统光纤到“元”光纤的变革

光学纤维作为现代信息社会的基石，其核心功能是低损耗地传输光信号。然而，传统光纤在光的主动操控方面存在固有局限。光学超表面（optical metasurfaces）的出现为这一领域带来了革命性的突破。这种由亚波长尺度人工原子按特定序列排列而成的二维平面结构，能够以前所未有的自由度对光波的振幅、相位、偏振等属性进行精确调控。约十年前，研究人员首次将超表面成功集成到光纤端面，由此诞生了“元”-光学纤维这一全新的平台。

多元化的材料与设计策略

“元”-光纤器件的性能在很大程度上取决于其构成材料与几何设计。迄今为止，研究人员已探索了多种材料体系。介电材料，如硅（Si）和氮化硅（SiN_x），因其在通信波段低的光学损耗和高的折射率而备受青睐，能够实现高效的电偶极子和磁偶极子共振。金属材料，如金（Au）和银（Ag），则利用其表面等离激元（surface plasmons）效应，可在亚衍射极限尺度上局域和增强光场，但存在固有欧姆损耗。新兴的相变材料（Phase Change Materials, PCMs）和二维材料（如石墨烯）则为实现动态可调谐的“元”-光纤器件提供了可能。在几何设计上，从简单的纳米柱、纳米孔到复杂的Huygens元原子，设计者们通过优化单元结构的形状、尺寸和取向，来精准实现目标光学功能。实现这些精巧结构的纳米加工技术，如电子束光刻（Electron-Beam Lithography, EBL）、聚焦离子束（Focused Ion Beam, FIB）铣刻以及各种转印技术，是推动该领域发展的关键支撑。

丰富的光学功能与应用探索

集成超表面后，光纤从被动的传光通道转变为主动的功能器件，催生了一系列新颖应用。

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  光束聚焦与整形：通过在光纤端面设计超透镜（metalens），可以将出射光波会聚成一个小光斑，或将入射光高效耦合进光纤，极大简化了传统光学系统，为微型内窥成像等应用铺平了道路。
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  生物与光学传感：这是“元”-光纤最具潜力的应用方向之一。利用超表面局域场增强效应，可以显著提高表面增强拉曼散射（Surface-Enhanced Raman Scattering, SERS）信号的强度，实现对痕量生物分子的高灵敏度检测。同时，通过监测外界环境（如折射率）变化引起的超表面共振峰位移，可构建高灵敏度的光学传感器。
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  结构光生成：光纤结合超表面可以高效地产生携带轨道角动量（Orbital Angular Momentum, OAM）的涡旋光束或其他复杂结构光场，这些特殊光场在超高容量光通信、光学微操纵和量子信息处理等领域具有重要价值。
  此外，在光谱学、成像、光学镊子等领域也展现出广阔前景。

未来展望与挑战

尽管“元”-光学纤维领域取得了显著进展，但要走向大规模实际应用，仍面临诸多挑战与机遇。未来研究将集中于以下几个方向：一是开发具有更优性能和新功能（如动态可调谐性、非线性效应增强）的新型“元”-光纤器件；二是攻克规模化制造的瓶颈，发展与现有光纤工艺兼容、低成本、高通量的纳米制造技术；三是深化其在下一代通信技术（如空分复用）、便携式医疗诊断设备、集成量子光源等具体场景中的应用研究。可以预见，随着材料科学、纳米技术和光子学的深度融合，“元”-光学纤维必将在未来光子技术革命中扮演愈发重要的角色。