科学家将“混乱”变为突破：无序设计开启下一代光学器件

莫纳什大学物理与天文学院的研究人员推翻了一个长期存在的光学假设，证明在超薄光学器件中有意引入受控的无序，可以在不增加器件尺寸或复杂性的情况下，显著提升其功率和多功能性。

这项发表在《自然·通讯》上的研究揭示了一种新型的“无序镶嵌超表面”，即一种能够操控光的纳米结构材料，可以在单个器件内同时执行多种光学功能。

研究为成像、传感和通信领域紧凑高性能光学技术开辟了新可能。

这项突破的核心是一个反直觉的想法：研究团队没有精心排列出完美有序的结构，而是将它们以受控的、马赛克般的图案散布开来，结果发现性能并未下降。事实上，它提升了。

莫纳什大学物理与天文学院纳米超光学组的ARC未来研究员Haoran Ren博士说：“无序通常是工程师们试图消除的东西，但我们发现，如果精心设计，无序实际上可以增强这些器件的功能。它让我们能在同样的空间内容纳更多的功能。”

超表面是由纳米级结构组成的超薄阵列，已经在重塑从成像、传感到量子计算的各种技术。但一个主要的限制一直存在：每个器件通常只执行单一功能。

这种新方法打破了这一限制。

镶嵌超表面如何工作

通过采用无序的“镶嵌”布局来排列微小的光控元件（称为超像素），研究人员证明，他们可以大幅减少任何单一功能所需的面积，从而腾出空间在同一表面上嵌入额外的功能。

该研究的第一作者、同样来自物理与天文学院的Chi Li博士说：“可以把它想象成一座城市，传统设计是把整个空间给一个功能。我们所做的是重新设计‘城市规划’，让多个功能能够高效共存，互不干扰。”

作为概念验证，该团队制造了一种新型光学透镜，它能在很宽的波长范围内工作——这通常需要庞大而复杂的系统。他们的器件将11种不同的光学功能集成到一个表面上，使其能够一致地聚焦不同颜色的光，而不会出现通常被称为色差的失真现象。

关键在于，这种性能是在不增加设计复杂性或器件尺寸的情况下实现的。

Ren博士说：“这是一种根本不同的光学设计思维方式，我们不再受‘一个器件等于一个功能’这一想法的限制。”

新的成像与传感可能性

除了透镜之外，该团队还展示了一种强大的新型成像能力：能够在单次测量中捕获光的偏振（包括复杂的结构光场）的详细信息。

以前，这种分析需要多次测量或专用设备。这种新型超表面可以即时完成，为更快、更紧凑的光学传感技术打开了大门。

其影响是广泛的。紧凑、多功能的光学器件可能会改变那些对尺寸、重量和性能至关重要的技术领域，从生物医学诊断、环境传感，到电信和天基成像。

Li博士说：“这个平台为我们提供了一种可扩展的方式，将多种光学功能集成到一个紧凑的器件中，这是朝着真正多功能光子学系统迈出的一步。”

挑战长期存在的光学假设

也许这项工作最重大的影响在于概念层面。

通过证明经过工程设计的无序可以胜过有序，这项研究挑战了光子学乃至更广泛的工程领域的一个基本假设。

Ren博士说：“有时，最强大的创新来自于质疑我们自以为知道的东西，在这种情况下，接纳无序让我们释放了以前根本不可能实现的能力。”

这项研究的实验是在莫纳什纳米光子学实验室进行的，埃克塞特大学的Changxu Liu博士、莫纳什大学物理与天文学院院长Stefan Maier教授以及南非威特沃特斯兰德大学Andrew Forbes教授的研究小组也做出了额外贡献。

相关链接：https://dx.doi.org/10.1038/s41467-026-71774-5