蒙纳士大学物理与天文学学院研究人员提出一种利用“受控无序”提升超薄光学器件性能的新方法。团队表示，通过在器件结构中引入经过工程设计的无序布局，可在不增加器件尺寸或设计复杂度的前提下，提高器件性能并增强多功能集成能力。

相关研究已发表于《自然通讯》（Nature Communications）。论文介绍了一类被称为“无序马赛克超表面”（disordered mosaic metasurfaces）的纳米结构材料。研究人员称，这类超表面能够对光进行操控，使单一器件可同时执行多种光学功能。

研究的关键在于改变传统的设计思路：团队并未将纳米结构严格排列为高度有序的阵列，而是以受控的“马赛克式”图案进行分布。蒙纳士大学物理与天文学学院纳米超表面团队ARC未来学者任浩然博士表示，无序通常是工程设计中试图消除的因素，但团队发现，在合理设计下，无序反而可以增强器件功能，从而在相同空间内集成更多功能。

超表面由纳米级结构构成的超薄阵列组成，已在成像、传感及量子计算等领域展现应用潜力。不过，研究人员指出，现有超表面器件的一项主要限制在于通常只能实现单一功能。该团队提出的“无序马赛克”方法旨在突破这一限制。

通过“马赛克”布局释放集成空间

研究人员采用无序“马赛克”布局的微小光控单元（元像素），展示了可显著缩减单一功能所需的面积，从而在同一表面内嵌入更多功能。论文第一作者、蒙纳士大学物理与天文学学院李驰博士将其比作“城市规划”：传统设计往往让一个功能占据整个空间，而新方法通过重新布局，使多个功能能够高效共存并减少相互干扰。

作为概念验证，团队制造了一种新型光学透镜，称其可在宽波长范围内工作。研究人员表示，该器件在单一表面集成了11种不同光学功能，实现对不同颜色光线的稳定聚焦，并避免通常存在的色差失真。团队同时强调，这一性能提升并未带来额外的尺寸增加或设计复杂度上升。

任浩然表示，这代表一种不同的光学设计路径，使研究不再受限于“一器件一功能”的思路。

单次测量获取偏振信息

除透镜相关展示外，研究团队还报告了一种成像能力：在一次测量中捕捉光的偏振信息，包括复杂的结构化光场。研究人员称，以往此类分析往往需要多次测量或专用设备，而新型超表面可实现即时获取，为更快速、更紧凑的光学传感技术提供可能。

研究人员表示，紧凑的多功能光学器件有望应用于对尺寸、重量与性能要求较高的场景，包括生物医学诊断、环境监测、电信与空间成像等。李驰称，该平台提供了一种可扩展方式，将多种光学功能集成到单一紧凑器件中。

合作与研究团队

论文指出，本研究在蒙纳士纳米光子学实验室完成。埃克塞特大学刘长旭博士、蒙纳士大学物理与天文学学院院长斯特凡·迈尔（Stefan Maier）教授，以及南非威特沃特斯兰德大学安德鲁·福布斯（Andrew Forbes）教授团队亦对研究作出贡献。