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。图片来源：李志博士

墨尔本大学物理与天文学学院研究团队颠覆光学传统：引入可控无序显著提升超薄光学器件功能

在一项发表于《Nature Communications》的突破性研究中，墨尔本大学（Monash University）物理与天文学学院（School of Physics and Astronomy）的一组科研人员证明：有意在超薄光学器件中加入可控无序结构，不仅不会削弱性能，反而能大幅提升器件功率与多功能性，而不需增大尺寸或制造复杂度。

研究团队开发了一类名为“无序马赛克超表面”（disordered mosaic metasurfaces）的纳米结构材料，可在单一器件内实现多重光学功能。核心理念颠覆传统：与其将微结构排布成完美规则的网格，不如按“马赛克式”随机但受控的模式散布；结果显示，器件性能不仅未下降，反而得到提升。

“工程师通常会尽力消除无序，”墨尔本NanoMeta研究组（Monash NanoMeta Group）的ARC Future Fellow Ren Hao‑ran（任浩然）博士说，“但我们发现，只要设计得当，无序反而能增强器件的功能。这样我们就能在同一空间内装载更多功能。”

超表面（metasurfaces）是一种由纳米级结构构成的超薄阵列，已在成像、传感、量子计算等领域取得突破。然而，一般的超表面只能执行单一功能。该研究通过引入无序马赛克布局，将多功能集成到同一表面，打破了这一限制。

“可以把它想象成一座城市，”同学院的Chi Li（李奇）博士说，“传统设计让某一功能占据整座城市；我们则改造了‘城市规划’，让多功能高效共存，而不互相干扰。”

团队先行实现了一种新型光学透镜，能够在宽波段内保持聚焦而不出现色差（chromatic aberration）。该透镜将 11 种独立光学功能集成在单一表面，实现不同波长的无失真聚焦，且未增加器件尺寸或设计复杂度。

“这是一种全新的光学设计思路，”Ren博士补充，“我们不再受限于“一台设备＝一功能”的观念。”

除光学透镜外，研究团队还展示了一种强大的成像能力：在一次测量中即可获取光的偏振信息，包括复杂结构光场。传统上，这种分析需要多次测量或专用设备。新型超表面可即时完成，预示更快速、更紧凑的光学传感技术的诞生。

“该平台为将多种光学功能集成至单一紧凑设备提供了可扩展的方案，”Li博士指出，“这一步是实现真正多功能光子系统的关键。”

该研究不仅在实验上取得突破，更在概念层面提出了重要挑战：在光子学乃至更广泛的工程领域中，无序被工程化后可超越有序结构的性能。

“最具突破性的创新往往源自对已知认知的质疑，”Ren博士说，“在本研究中，拥抱无序让我们解锁了之前不可能实现的功能。”

勇编撰自论文"Disordered mosaic metasurfaces with scalable functional density".Nature Communications.相关信息，文中配图若未特别标注出处，均来源于自绘或公开图库。