超構表面光場調控：從局域響應到非局域自由度

|作者：張樹斌　肖淑敏　宋清海?

(哈爾濱工業大學（深圳））

本文選自《物理》2026年第2期

摘要超構表面為光場調控提供了一種超薄且高度可設計的平臺，其早期研究主要依賴亞波長結構單元的局域散射響應，在實空間中實現對光場相位、振幅與偏振的點對點調制，推動了平面光學器件的快速發展。近年來，隨著導模共振、連續域束縛態等物理機制的引入，超構表面逐漸突破局域調控范式，獲得非局域自由度，從而在動量空間中呈現出顯著的波矢依賴特性。在這一調控框架下，光場操控從單純的局域響應設計，拓展為對空間頻率分量與延展模態的整體工程化調控，使空間微分、能量橫向輸運及多功能光場操縱等局域器件難以實現的功能成為可能。圍繞局域響應與非局域自由度的物理內涵與實現路徑，文章系統梳理二者的本質差異及協同關系，以深化對超構表面光場調控機制的理解，并為新一代平面光學器件的發展提供物理依據。

關鍵詞超構表面，光場調控，局域響應，非局域

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引 言

從2011年開始，在過去十余年中，超構表面逐漸發展成為光學領域中極具代表性的一類人工結構。其核心特征并不在于幾何形態的平面化，而在于通過亞波長尺度的結構設計，對光與物質相互作用方式進行重新組織。借助這種方式，光場的相位、振幅和偏振等自由度可以在極薄的尺度內被靈活調控，從而為平面光學器件的小型化與功能集成提供了新的可能。這一思想的提出，使得許多傳統上依賴體光學系統完成的功能，得以在單層或少數幾層平面結構中實現；尤其是相位突變界面與廣義動量守恒的引入，為超薄波前調控提供了清晰的物理語言與設計路徑[1，2]。在其后的發展中，反射/透射型相位梯度器件、亞波長天線陣列的色散與效率權衡，以及對入射偏振通道的工程化選擇，逐步把“能做什么”從概念層面推向了可重復的器件層面[3]。與此同時，等效電磁邊界的觀念也在不同頻段被系統化：通過同時塑造等效電磁響應以抑制反射、提升透射效率，平面界面同樣可以實現高質量的波前變換，這一思路為后續高效率介質超構表面與多自由度調控奠定了重要參照[4]。

圍繞超構表面的早期研究，光場調控通常被理解為一種“局域響應”的問題。在這種圖像下，超構表面由大量亞波長結構單元構成，每一個單元在入射光作用下產生局域散射響應，而整體光場則由這些局域響應在實空間中的排列共同決定。只要能夠在每一個空間位置處賦予合適的散射相位或偏振變換，期望的波前或偏振分布便可以被重構。這種點對點的設計思路物理直觀、實現路徑清晰，也正因如此，它在超構表面發展的早期階段發揮了基礎性作用[1，2]。在相當長的一段時間內，這種基于局域響應的描述是足夠的：一方面，幾何相位與傳播相位兩條主線分別對應取向—偏振耦合和厚度/尺寸—傳播延遲的兩類相位編碼機制；另一方面，從金屬天線到高折射率介質納米柱，材料平臺的演進不斷改善效率與帶寬，使得局域相位像素更加接近工程可用[2，5]。特別是以高對比度介質納米柱為代表的方案，在保持亞波長采樣的同時實現了相位與偏振的統一調控，并把透射效率推到接近實用系統的水平，使局域范式的可實現性得到顯著增強[5]。這些進展也直接帶動了平面透鏡、成像、光場編碼等方向的快速推進：從衍射極限聚焦到亞波長分辨成像，再到多波長、寬帶工作與陣列化實現，如圖1所示，局域超構表面逐步從波前整形器件向平面光學系統部件過渡[6—9]。

圖1　經典的超構表面實現透鏡功能 (a)局域超構表面實現的超透鏡(左)具有寬帶聚焦能力，非局域超構表面實現的超透鏡(右)具有窄帶聚焦能力；(b)超構表面(透鏡)在光路中實現聚焦功能的測試系統示意圖[9]

然而，隨著研究對象逐漸從重構波前轉向操控光場本身，局域響應圖像的局限性開始顯現。一些光學功能并不天然對應于某一空間位置處的局域操作，而是與光場在不同尺度上的分布及其相互關聯密切相關。一個典型的例子是色散與帶寬：局域單元在滿足0—2π相位覆蓋的同時，往往不可避免引入顯著的結構色散，從而導致色差與效率隨波長變化的系統性偏離。對此，研究中發展出“色散補償”的局域設計策略，使得寬帶消色差金屬透鏡與消色差器件在一定帶寬內成為可能，并進一步在陣列化、成像鏈路中展示出系統層面的價值[6—8]。再例如幅度、相位和偏振的聯合調控：若仍堅持每個像素只提供單一相位自由度，許多需要同時塑造能量分配與偏振紋理的任務將受到本征約束；因此，如何在單層結構中盡可能接近完整的瓊斯矩陣工程，成為局域范式向更高維度擴展的關鍵一步[10，11]。此外，局域單元在近場增強與非線性過程中的作用也并非只表現為相位像素，其共振與局域場增強可顯著改變輻射與頻率轉換效率，使超構表面在非線性光學與輻射調控中顯示出不同于體材料的路徑[12]。

與此同時，局域超構表面也不斷向器件功能的外延拓展：例如利用介質共振實現高品質結構色與大色域顯示，使平面結構具備同時面向成像與顯示的潛力[13]；又如通過像素化介質超構表面把譜信息轉寫為空間條碼，以成像方式實現分子指紋識別與化學分析，體現出局域設計在信息編碼與檢測路徑上的可塑性[14]。在更宏觀的層面，隨著器件從單功能演示走向系統集成與場景驅動，局域超構表面在智能視覺與多模態感知中的定位也日益清晰：其價值不僅在于替代傳統光學元件，更在于以亞波長采樣把相位、偏振、色散等信息以更緊湊的方式前置到光學前端，從而重塑傳感與計算路徑[15]。這些趨勢揭示了局域響應并非一個靜態概念，而是一條持續演化的設計思路，它以局部散射為基礎，通過材料、結構與編碼策略的迭代，逐步吸納更豐富的自由度[5，10，11]。

從傅里葉光學的角度看，許多光學操作本質上發生在動量空間，而非實空間。當調控目標涉及對不同空間頻率分量的選擇性處理，或需要在輸入與輸出之間建立全局性的映射關系時，單純依賴實空間點對點調制的局域設計方式便難以勝任。這并非源于具體結構設計的復雜性不足，而是反映了局域響應范式在可操控自由度上的根本限制。正是在這樣的背景下，非局域調控逐漸成為超構表面研究中的一個重要方向。所謂非局域，并不是指結構尺度的簡單增大，也不等同于單元之間存在某種形式的耦合，而是強調器件的輸出響應在某一點處依賴于入射光場在更大空間范圍內的分布。從物理描述上看，這意味著超構表面的響應不再僅由實空間中的位置依賴函數刻畫，而需要引入動量空間中波矢相關的傳遞特性[16，17]。光場調控的對象由此從局部空間位置，擴展至空間頻率分量及其整體組織方式。能夠實現這種非局域行為的物理基礎，通常來源于在面內具有延展傳播特性的光學模態。例如，導模共振、光子晶體板以及連續譜束縛態等結構，能夠在不同空間位置之間建立有效的光學關聯，使得平面結構中的輻射與傳播過程不再是相互獨立的事件[18，19]。在這些體系中，局域結構參數仍然發揮著重要作用，但其主要功能已從直接決定局部輸出，轉變為調控延展模態的耦合、輻射和選擇性響應。特別是連續譜束縛態及其微擾形成的準連續譜束縛態，為在亞波長厚度內獲得強烈的波矢選擇性和高品質因數響應提供了清晰的物理機制[18]。從這一角度看，超構表面光場調控從局域響應向非局域自由度的拓展，并不是對既有方法的否定，而是對可調控物理變量的自然延伸。局域響應與非局域自由度分別對應于實空間與動量空間兩個層面的調控問題，二者相互補充，共同構成了當前超構表面光場工程的物理基礎。理解這種調控視角的演變，有助于把握該領域的發展脈絡，并為進一步探索更復雜、更高維度的光場操控方式提供清晰的物理圖像。

在這樣的背景下，本文從超構表面光場調控最基本的兩個層面來重新審視這一領域的發展脈絡。一方面，基于局域響應的設計方法奠定了超構表面光學的物理基礎，其直觀性和有效性至今仍在大量器件中發揮作用；另一方面，隨著調控目標的不斷提升，引入非局域自由度逐漸成為理解和實現復雜光場操控的重要途徑。

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超構表面局域響應

2.1　局域響應的物理圖像與基本假設

在超構表面光學的發展初期，光場調控通常建立在一種高度直觀的物理圖像之上：入射光在平面結構中與亞波長尺度的人工單元發生相互作用，每一個結構單元在其所在位置產生局域散射響應，而整體光場則由這些局域響應在實空間中的排列共同決定[1，2]。在這一描述下，超構表面可以被等效看作由大量二維光學像素構成的陣列，每一個像素獨立地對光場施加相位、振幅或偏振變換。這一局域響應圖像之所以在相當廣泛的情形下成立，依賴于若干隱含但關鍵的物理假設。首先，結構單元的橫向尺度遠小于工作波長，使其散射行為在遠場近似表現為點源輻射，從而削弱了內部幾何細節對空間分布的直接影響[1，2]。其次，單元之間的橫向耦合被認為是次要效應，即每個單元的散射特性主要由自身幾何與材料參數決定，而不顯著依賴于相鄰單元的具體狀態；這一近似在早期天線陣列與相位梯度設計中被廣泛采用，并在一定參數范圍內給出了與實驗相符的宏觀波前結果[2，3]。在這些近似條件下，原本復雜的多體散射問題得以簡化為一組相互獨立的局域響應問題。

從等效模型的角度看，局域響應范式可被理解為一種“位置依賴的薄層散射近似”。在該近似下，超構表面對入射光場的作用可以用一個與橫向位置相關的復響應函數來刻畫，使透射或反射光場在平面處僅經歷局域的幅度與相位調制。只要這一響應函數在橫向尺度上的變化遠慢于光在結構中可能產生的橫向傳播長度，局域散射近似便能夠保持良好的有效性。從物理意義上講，這一范式強調的是實空間中的因果對應關系：在給定的位置處賦予怎樣的局域響應，將直接決定輸出光場在相應方向或位置處的表現。正是這種清晰而直接的映射關系，使得局域響應成為超構表面設計中最易被理解、也最早被系統采用的調控方式[1，2]。

2.2　基于局域響應的調控機制與設計思路

在局域響應框架下，不同的超構表面設計策略雖然在具體實現機制上各不相同，但其物理出發點具有高度一致性。如圖2所示，即通過調節結構單元的幾何參數或取向方式，控制其局域散射特性，從而實現對光場的期望調控。無論是通過改變結構尺寸引入傳播相位，還是利用結構各向異性產生幾何相位，其設計目標始終是建立一種位置與局域響應之間的一一對應關系[1，5]。這一思想可以通過廣義斯涅耳定律得到直觀的半定量表述。將超構表面等效為一層在橫向坐標

其中

k

n

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A

圖2　超構表面局域響應調控的基本思想 (a)當一束光入射到界面上時，在存在橫向相位變化的界面上發生的傳播行為，界面不再只是滿足傳統斯涅耳定律，而是引入了一個額外的橫向波矢補償項，使得出射角取決于界面的相位分布；(b)不同的微納結構帶來的相位變化，從而在遠場實現對波前的調控[1]

也正因如此，局域響應方法在超構表面光學中長期占據主導地位，并在實驗實現與工程應用中展現出良好的魯棒性。值得強調的是，局域范式并不天然等價于低效率或窄帶寬。一方面，通過引入等效電/磁響應并滿足反射抑制條件，可在薄層界面實現高透射的波前變換，這在等效邊界條件下具有明確的實現路線。另一方面，高對比度介質納米柱平臺提供了更接近工程可用的透射效率與相位覆蓋能力，并可在同一平臺內同時完成相位與偏振的統一設計，從而把局域像素從相位編碼推進到通用偏振—相位器件[5]。沿著“像素自由度擴增”的方向，研究進一步發展出單層結構對幅度與相位的聯合調控，以及對更一般瓊斯矩陣的近似逼近，使得全息、矢量光場與多通道復用等任務能夠以更緊湊的形式實現[10，11]。此外，局域共振單元還為非線性過程提供了可設計的局域場增強與輻射通道工程，從而把超構表面從線性波前器件拓展到頻率轉換與輻射調控等更廣的范圍[12]。

2.3　局域響應范式的適用范圍

如圖3所示，盡管局域響應范式在超構表面光學中取得了廣泛成功，但其適用性并非沒有明確的物理邊界。從更一般的角度看，局域描述的有效性取決于器件對不同橫向波矢分量的響應是否可以近似視為一致：當這一條件滿足時，器件的傳遞特性在動量空間中近似為常數，實空間中的位置依賴描述便是自洽的[1]。然而，一旦器件開始承擔更系統的任務——例如寬帶成像所必須面對的色散、陣列化元件的像差累積、以及多自由度信息(相位、偏振、譜信息)的同時編碼——局域單元的結構色散與自由度不足將以更直接的方式表現出來[6—8]。因此，如圖3中局域體系中出現的消色差金屬透鏡、消色差相位梯度器件與陣列化成像結構，本質上是在局域框架內對色散邊界的主動修補：通過在像素層面引入相位色散的補償項或多共振響應，使不同波長在同一功能目標下獲得盡可能一致的等效響應。這類策略在一定帶寬內能夠顯著緩解色差，但當調控目標從單色波前走向寬帶、多自由度、系統化時，局域近似的自洽條件將變得更加苛刻。

圖3　局域超構表面的典型器件 (a)結構色器件，通過局域共振調控反射或透射光譜，實現結構色顯示，體現了單元級散射響應對顏色的直接控制[13]；(b)金屬消色差超構表面，通過在不同波長下補償局域相位色散，使聚焦位置在一定帶寬內保持穩定[7]；(c)通過同時且獨立控制正交偏振態的相位和振幅實現的多功能超構表面(左圖)，可以實現一對正交極化態的任意且獨立的幅度和相位控制(右圖)，兩個正交偏振態的相位(

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從另一個角度看，局域范式的邊界也體現在自由度的不足：若只允許每個像素提供單一的相位通道，則對復雜矢量光場、幅度整形與多通道復用的支持必然有限。因此，近年來圍繞單層結構能實現多大范圍的瓊斯矩陣或斯托克斯參數控制展開的工作，實際上是在局域范式內追問其能力上限，并通過更豐富的單元基元與排布策略來逼近該上限[10，11]。與此同時，局域超構表面在顯示與檢測方向的延展也揭示了另一類邊界：當目標不再是輸出某個連續波前，而是需要在有限像素數內實現高對比度編碼或對微弱吸收進行增強讀取時，設計的關鍵往往轉向像素化編碼策略、局域共振線型與讀出鏈路的協同優化[13，14]。這些現象共同表明，局域響應范式為超構表面光學提供了堅實的起點，但其邊界并不隱藏：它既受到“波矢響應一致性”的約束，也受到“像素自由度容量”的約束。正是在這一意義下，局域響應為引入非局域自由度提供了明確的物理動機與問題指向。

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非局域自由度：空間色散與動量空間調控

近年來，隨著超構表面研究逐漸引入共振增強、高品質因數模態以及空間延展的電磁本征態，局域近似的適用范圍開始受到根本性挑戰。在此類體系中，某一空間位置處的感生極化不再僅由局域入射場決定，而是可能通過導模、晶格共振或集體耦合等機制，與結構中相距較遠的區域發生關聯。這種由空間相關性與動量選擇性主導的響應特性，使得超構表面的散射行為無法再用簡單的局域映射來刻畫，而必須引入非局域響應的描述框架。從物理機制上看，非局域超構表面的本質在于存在能夠在結構中傳播或延展的電磁通道，這些通道有效連接了空間上分離的響應單元。根據這些通道是否保持入射波的面內動量，非局域超構表面可進一步表現出不同類型的響應特征。如圖4所示，局域超構表面、非衍射型非局域超構表面以及衍射型非局域超構表面在物理機制和數學描述上均呈現出清晰而本質的區別，為理解后續復雜非局域光場調控提供了統一的概念框架[16]。

圖4　局域與非局域超構表面的物理響應差異示意圖。在局域超構表面中(a)，每個結構單元的響應主要由其所在位置的入射場決定；而在非局域超構表面中(b,c)，器件響應依賴于入射光場在更大范圍內的整體分布。(b)圖中由結構本身支持的導模所主導的非局域響應，以導模介導的鏡面/定向散射為主，結構中激發了延展的導模(綠色波紋，沿面內傳播)，但最終的出射仍主要表現為規整的平面波分量；(c)圖展示了在斜入射條件下非局域效應的進一步增強與重構。斜入射引入的平面內波矢分量為導模的激發提供了額外的動量匹配條件，使得非局域模式的激發對入射方向高度敏感，從而導致反射與透射波前出現明顯的方向性畸變[16]

3.1　波矢選擇性響應

當超構表面的傳遞函數對橫向波矢呈現顯著依賴時，器件對不同空間頻率分量的響應不再等價。從線性系統的角度看，這相當于在動量空間對角譜分量進行加權與篩選；其在實空間中的等價表述，則是器件具有有限展寬的空間沖激響應核，使得輸出場在某一點處由鄰域范圍內的輸入場共同決定。這類響應通常被歸入空間色散范疇，其物理內涵并不在于結構尺度的簡單放大，也不能泛化為單元之間的近場耦合，而是指器件的線性響應必須以橫向波矢作為獨立參量加以刻畫[16，20]。在局域響應范式下，超構表面對光場的調控主要通過實空間中位置依賴的相位或振幅分布來實現，其設計目標是重構某一預期波前。在這一框架內，不同橫向波矢分量通常經歷近似同構的局域散射過程，器件因而缺乏對空間頻率結構本身的獨立操控能力。非局域自由度的引入，則使塑造傳遞函數本身成為設計目標，從而使超構表面能夠直接針對光場的空間頻率組成進行調控。值得注意的是，這類由延展共振模態主導的波矢選擇性并不限于線性濾波，也會顯著改變非線性輻射的偏振與手性輸出特征，從而把空間色散與非線性調控聯系起來[21]。在圖5(a)所示的體系中，不同入射角對應不同的橫向空間頻率分量，其透射的極化中顯著差異直接反映了器件在動量空間中對角譜成分的選擇性調制能力，而在圖5(b)中不同的極化輸入對應了不同的圖像信息輸出[22]。

圖5 (a)非局域超構表面對不同空間頻率(橫向波矢)分量的選擇性響應。不同入射角對應不同的空間頻率成分，其透射存在極化的顯著差異(左旋和右旋)[21]；(b)基于空間頻率選擇性的光學模擬計算，實現了不同的極化輸入對應于不同的圖像輸出[22]

圍繞這一問題，已有研究從衍射與角譜的角度建立了較為系統的理論描述，將非局域超構表面的物理邊界與設計自由度納入統一的動量空間表述之中[17，19]。這一物理特性與光學模擬計算和圖像處理之間存在天然對應關系。許多圖像處理任務，如邊緣增強、特征提取與背景抑制，本質上依賴于對高、低空間頻率分量的差別化處理。當傳遞函數在一定工作帶寬內逼近特定算符形式時，相應的操作可以在光傳播過程中直接完成，而無需依賴后續數字算法或體光學系統。基于非局域超構表面的相關方案，已在二維圖像處理、偏振復用計算以及二維拉普拉斯微分等方向得到實現，展示了在平面結構中直接執行空間算符的可行性[22，23]。進一步地，通過將非局域的角譜選擇性與非線性過程相結合，還可實現跨波段信息提取與增強感知，其物理基礎仍然源于對空間頻率分量的選擇性放大與抑制[24]。需要指出的是，這類能力并非通過增加局域單元的復雜度獲得，而是依賴于設計范式的轉變。當器件功能由模態與角譜響應共同決定時，基于單元散射庫的點對點查表策略本身便會遭遇邊界，相應地，更一般的模態—通道—色散聯合設計成為必要[21，25—27]。在二維材料與介質共振結構耦合的體系中，準連續譜束縛態相關的高品質因數共振同樣可以把非局域模態的窄帶色散優勢轉化為顯著的非線性增強與可調輻射通道[28]。

3.2　空間沖激響應展寬

非局域自由度的另一重要特征體現在器件空間沖激響應的有限展寬。與嚴格的點對點映射不同，此時輸出光場在某一點處由一定空間范圍內的輸入光場共同決定，體現出明顯的全局關聯。其動量空間的等價描述，是傳遞函數呈現顯著的非平坦結構；二者作為同一線性系統的兩種表述形式，在物理上是等價的[16，20]。正是這種由空間色散引發的全局關聯，使非局域超構表面在一定條件下具備對自由空間傳播過程進行等效重構的能力。在自由空間中，不同橫向波矢分量在傳播過程中積累不同的相位與振幅演化；若能在亞波長厚度內工程化地實現類似的橫向波矢依賴響應，便可用平面結構在一定程度上替代傳播距離，從而實現自由空間的壓縮與系統小型化。這一思想已被用于構建超薄上轉換成像系統，如圖6(a)所示，紅外光經調制上變頻至可見波段并在常規相機上直接成像。在理想情況下，如圖6(b)所示，上轉換過程應對不同入射角對應的空間頻率分量具有一致的轉換效率，即系統的角譜傳遞函數近似為常數，以保證紅外圖像在可見光域中的無畸變重構。然而在實際器件中，由于非局域模式具有顯著的角色散特性，上轉換效率對入射角表現出明顯依賴：靠近法向入射、對應較小橫向波矢的 傳播分量更易與非局域共振模式匹配，從而獲得更高的上轉換效率，而大角度入射分量則受到抑制，如圖6(c)所示。以上實驗展示了非局域超構表面在紅外到可見光非線性上轉換成像中的全局響應特性，并在器件級和系統級層面得到驗證[28，29]。

圖6　非局域超構表面的全局響應 (a)紅外成像非線性上變頻器的示意圖，其中紅外光照射物體并通過透鏡(L1)時，被相干上變頻為可見光，并被另一個透鏡(L2)捕獲，最終在傳統硅基相機上觀測；(b)理想的上轉換過程應以相同效率轉換所有從不同角度入射的光線，

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相較之下，局域響應范式由于缺乏對橫向波矢的整體調控能力，往往需要多級光學系統或較長傳播路徑來實現類似功能，這在體積、對準復雜度和系統魯棒性方面均存在局限。非局域方案通過將傳播的動量依賴性內嵌于器件響應之中，使平面結構具備對光場整體傳播特性的操控能力，更適合緊湊集成平臺。與此同時，強非局域響應通常與窄帶共振相伴，帶寬、角度容忍度與效率之間的權衡因而成為設計中不可回避的問題[18]。為緩解上述限制，研究中提出了多種改進策略。例如，通過多共振與多通道設計，可以在同一平臺上實現傳播等效、濾波與波前操作的協同；通過空間解耦策略，將局域相位編程通道與非局域共振通道在結構上分離，則可在保持強非局域響應的同時引入可控的波前自由度[30—32]。此外，引入電、熱或光調制機制，使非局域響應在不同工作狀態下可切換，為平面器件在系統層面的靈活應用提供了新的可能性[33，34]。

3.3　延展模態與強空間色散

當非局域響應由延展本征模態主導時，超構表面的空間色散往往呈現出更為陡峭且高度結構化的特征。在如圖7所示的非局域超構表面的本征模式調控體系中，器件對橫向波矢的響應不僅存在依賴關系，而且在特定波矢與頻率附近發生快速變化，其物理根源在于模態色散關系、輻射通道分布以及相干耦合過程的共同作用。為獲得可設計的強空間色散，研究中發展了多種結構化手段。例如，通過布里淵區折疊或雙區折疊機制，可將原本位于高對稱點的模態有效引入可激發區域，從而在近法向入射條件下獲得顯著的角譜選擇性；垂直方向耦合等策略則為引入額外耦合通道提供了可行路徑[35，36]。

圖7　非局域超構表面的本征模式調控 (a)異常光束偏轉：強空間色散導致異常光束偏轉，器件對不同入射方向有選擇性響應[36]；(b)單向手性本征模式發射：非局域模態通過雙層結構的旋轉實現單向手性輻射，左側對稱結構實現右旋圓偏振的發射，右側上下層扭轉結構實現左旋圓偏振的單向發射[40]

借助手性準連續譜束縛態并引入可重構材料，圓二色性可以從靜態增強進一步走向連續可調甚至符號翻轉，使偏振選擇性成為由共振色散主導、可外場重構的響應量[27]。在這些體系中，不同入射方向的光場與延展模態的耦合效率存在明顯差異，使器件輸出對入射角高度敏感。這種方向敏感性為非局域超構表面在光定位與方向判別中的應用提供了物理基礎。通過建立入射方向與輸出信號特征之間的對應關系，可以在超薄平面結構中實現對光源方向或位置的識別。與依賴多通道探測或復雜幾何布置的傳統方案相比，這類方法將方向信息直接編碼在器件的線性響應中，其穩定性主要由結構與模態特性決定[36，37]。進一步來看，強空間色散還為更廣泛的物理任務提供了條件。一方面，延展模態與高品質共振可顯著增強非線性過程，例如通過模式相互作用提升四波混頻效率；另一方面，非局域超構表面也被用作量子光學平臺，在特定材料體系中實現空間糾纏光子對的產生，表明角譜響應工程在經典與量子光場處理中具有共通的物理價值[16，35，38]。此外，如圖7(b)所示，通過引入非厄米機制或拓撲特性，還可以獲得更復雜的通道選擇與響應結構[39]，從而拓展非局域超構表面在材料體系和物理機制上的邊界[40，41]。

非局域自由度在超構表面平臺上的優勢并不取決于具體結構形式，而直接對應于空間色散這一物理內核。波矢選擇性響應使超構表面能夠對光場的空間頻率組成進行直接調控，為光學模擬計算與圖像處理提供了平面實現路徑；空間沖激響應的展寬賦予平面結構對光場整體傳播特性的操控能力，使其在有限厚度內實現對自由空間傳播行為的等效重構；由延展本征模態主導的強空間色散則進一步使器件對入射方向高度敏感，為光定位、方向判別以及多參數感知等功能奠定了物理基礎。從更一般的角度看，非局域自由度并非是對局域調控思想的替代，而是對超構表面可操控物理變量的自然擴展：前者作用于動量空間中的角譜結構，后者側重于實空間中的位置依賴調制。二者相互補充，使超構表面光場調控的設計范式由單元級的點對點操作，逐步演化為面向模態、角譜與通道的系統工程問題。

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總結與展望

從設計方法的角度回看超構表面光場調控的發展，其最初的成功很大程度上源于局域響應范式所提供的清晰物理圖像。通過將平面結構等效為由亞波長單元構成的陣列，復雜的波動問題被轉化為實空間中的相位、振幅或偏振分布設計。這一處理方式直觀而有效，使波前整形、偏振調控和平面透鏡等功能得以在超薄結構中實現。但隨著研究關注點的變化，這一圖像并非在所有情形下適用。當調控目標開始涉及空間頻率結構、方向判別或更整體的場關聯時，器件行為逐漸表現出對輸入波前形態本身的依賴，而不再僅由入射角或頻率決定。這類現象在若干基于延展模態的體系中已有清晰體現，其中器件對波前的選擇性直接反映了非局域自由度在平面內的作用。在這些情況下，繼續以點對點的局域調制來理解器件響應，往往是不充分的。

引入非局域自由度并不意味著放棄波前調控。相反，在強空間色散條件下仍然可以形成明確且穩定的輸出波前，只是其形成機制已不再服從局域相位簡單疊加的直覺描述[42]。在某些體系中，實空間中引入的局域自由度可以在不顯著改變整體色散骨架的前提下獨立發揮作用，從而為波前或偏振調控提供額外接口[41]。這類結果表明，局域與非局域并非天然對立，而是可能在不同層面上各自發揮作用。在具體實現上，一種逐漸清晰的思路是將非局域延展模態作為光場相干性和選擇性的“承載體”，而將局域結構參數用于對輸出特征的精細調控。這種分工關系在平面激光器體系中表現得尤為直觀，其中非局域模態決定激射 條件，而局域幾何參數則用于塑造遠場分布或偏振狀態[43]。類似的協同思想也出現在波前調控與方向選擇的結合中，通過在非局域共振背景下引入受控的局域相位梯度，可以在不破壞共振條件的情況下實現額外的調控維度[44]。非局域響應并不局限于單一通道或單一用途。隨著體系中可參與輻射的延展模態數目增加，動量空間響應可能呈現多分量結構，使同一平面器件在不同工作條件下承擔不同角色。與此同時，一些早期形成的設計直覺也需要被重新審視。例如，幾何相位并不必然對應寬帶調控，在強共振背景下引入幾何相位仍可實現高度選擇性的窄帶響應，其具體表現取決于其在整體響應結構中所處的位置。當非局域延展模態在平面內形成低損耗傳播通道時，其影響已經超出單一器件層面[45]。相關研究表明，多節點之間可以通過該通道建立長程、可重構的相干關聯，使超構表面逐漸呈現出二維光場的特征，而不再只是孤立的功能器件。這一趨勢提示，非局域自由度正在改變人們對平面光學系統尺度和復雜度的傳統認識。目前超構表面光場調控正在從以局域響應為核心的靜態設計，逐步走向同時考慮局域、非局域以及時間維度的綜合調控。不同自由度并非相互替代，而是在不同問題層級上各自發揮作用。圍繞這些自由度如何在同一平臺中協同工作，并在可控性與復雜性之間取得平衡，仍有許多基本物理問題值得進一步探討。

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新型光子晶體專題

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