综述：自适应光学中的超表面技术：光波前传感领域的新机遇

《Laser & Photonics Reviews》：Metasurfaces in Adaptive Optics: A New Opportunity in Optical Wavefront Sensing

波前传感技术历经半个世纪发展，从传统光斑位移法到高精度直接相位检索技术，现借超表面（Metasurface）实现亚波长级控制，突破传统光学元件物理极限。超表面通过纳米结构调控光场相位、振幅及偏振，推动波前传感向多维度集成、高动态范围、低噪声发展，应用涵盖天文观测（如大型望远镜自适应校正）、生物显微（实时细胞波前监测）、激光工程（高能光束整形）等领域。研究显示，超表面可提升30%以上相位恢复精度，并实现单次曝光多参数检测，但面临设计复杂度与制造精度的双重挑战

　　波前传感技术是现代光学领域中一项具有革命性的技术，它在自适应光学（Adaptive Optics, AO）系统中发挥着核心作用。自五十年前发展以来，这项技术从基础方法逐步演进为高精度系统，为多个科学和工程领域带来了深远的影响。传统的波前传感方法主要依赖于斑点位移，但随着技术的进步，直接相位恢复技术逐渐成为主流，为波前传感精度的提升提供了新的可能。近年来，超表面（metasurface）技术的突破，使得波前传感技术迈入了一个新的阶段。超表面是由亚波长尺度的人工纳米结构组成的二维材料，能够实现对光场的多维度调控，包括相位、振幅和偏振等。这种高设计灵活性和调控能力为波前传感技术带来了前所未有的发展机遇。

波前传感的基本原理是测量光场的相位分布，并通过光场的调制来实现对波前的精确检测。传统波前传感器通常由波前分割器、探测器和控制单元组成，它们的性能受到物理结构的限制，如曲率和微结构的特性。而超表面技术则通过亚波长结构实现对光场的精确调制，使波前传感系统能够实现更高的精度和动态范围。这一技术的发展，不仅提升了波前传感的性能，还为波前传感系统的微型化和多功能集成提供了新的思路。

在波前传感技术的发展过程中，光场的调制和测量方法不断演进。例如，Shack-Hartmann波前传感器通过微透镜阵列将波前分割成多个子波前，并通过测量这些子波前在探测器上的焦点偏移来推断波前的斜率，进而重建波前。这种方法在天文观测中具有重要应用，能够有效克服大气湍流带来的图像模糊问题。然而，传统的Shack-Hartmann传感器存在动态范围和空间分辨率之间的权衡，以及在强湍流条件下测量精度受限的问题。近年来，研究人员通过引入超表面技术，开发了基于超表面的Shack-Hartmann波前传感器，利用超表面的亚波长结构实现了更高效的光场调制和更高的测量精度。

另一个重要的波前传感技术是曲率波前传感器，它通过分析不同位置的光强差异来推断波前的曲率。这一方法在生物医学成像和天文观测中具有广泛的应用。然而，曲率波前传感器在处理高阶像差时也存在一定的局限性。为了解决这一问题，研究者引入了基于非线性波前传感的方案，结合了Shack-Hartmann传感器的离散采样概念和曲率波前传感的相位恢复机制。这种方法能够实现更精确的波前测量，同时减少对光学元件的依赖，从而提升系统的稳定性。

剪切干涉技术是另一种重要的波前传感方法，它通过将入射光场分解为两个空间偏移的相干光场，并利用干涉条纹的变化来推断波前的相位信息。这一技术在高精度波前测量中具有独特优势，特别是在亚波长尺度的干涉中，其对相位变化的敏感度使得测量精度得以大幅提升。近年来，研究人员利用超表面技术对剪切干涉进行了改进，通过设计不同的亚波长结构，实现了对光场的高效率调制和对多通道光场信息的同步提取，从而显著提升了剪切干涉技术的性能。

相位对比成像（Phase Contrast Imaging, PCI）是一种非干涉的波前传感技术，它通过将相位变化转化为可测的强度对比来实现对透明样本的成像。传统的PCI方法通常需要固定的相位板和环形光阑，而超表面技术的引入使得这一过程可以通过集成的光场调控模块实现。这种方法不仅提高了成像的精度，还简化了系统设计，使其适用于生物医学成像和工业检测等领域。

随着技术的发展，波前传感技术的应用范围不断扩大，从天文观测到生物医学成像，再到激光工程和光学通信，超表面技术为这些领域提供了新的解决方案。通过精确的亚波长结构设计，超表面能够实现对光场的多维度调控，从而在提升波前传感精度的同时，降低系统的复杂性和成本。此外，超表面技术还为量子态调控和多通道光场检测提供了新的可能，使得波前传感技术能够应用于更复杂的物理现象研究。

当前，波前传感技术仍然面临一些挑战，如动态范围与空间分辨率之间的平衡、噪声对测量精度的影响，以及对不同波长和偏振状态的兼容性。然而，随着微纳加工技术的进步和人工智能算法的引入，这些问题正在逐步得到解决。例如，基于深度学习的算法能够提高波前重建的效率和精度，而超表面的多参数调控能力则使得波前传感系统能够适应更复杂的光场变化。

总之，波前传感技术的演进不仅推动了自适应光学系统的性能提升，还为其他光学应用提供了新的思路。超表面技术的引入，使得波前传感方法能够实现更高的精度、更广泛的动态范围以及更紧凑的系统设计。未来，随着材料科学和光学工程的进一步发展，波前传感技术有望在更多领域发挥重要作用，为科学研究和工程应用带来更大的便利和更高的精度。