1. 摘要

本研究受艺术中无序马赛克启发，提出一种基于结构无序的超表面设计方法，通过随机分布功能各异的meta-pixel，在不牺牲光学性能的前提下显著提升功能密度。研究团队构建了两种区域利用策略：连续扇区划分（有序）与随机采样（无序），并系统评估不同面积利用率下的光学性能表现。

即使在极低面积使用率下，无序策略仍能保持良好的聚焦效果。该方法成功应用于宽带金属透镜和结构光偏振成像，验证了其多功能集成能力。通过非局部meta-pixel实现多波段操作，有效抑制串扰并提升整体性能。

2. 前言

光学超表面作为平面化光子器件，在成像、光电、量子信息处理、传感、能量转换及光计算等领域展现出巨大潜力。然而，当前技术仍面临单一设备集成多种功能的挑战。本文提出一种基于结构无序的超表面设计思路，通过模拟艺术中的无序马赛克结构，将功能不同的meta-pixel随机分布于整个超表面区域。

该方法在不增加设计复杂度的前提下，使未分配空间可被重新用于编码不同功能的meta-pixel，并支持多种光学自由度独立调控。研究以宽带金属透镜和结构光偏振成像为例，展示了该策略在实际应用中的通用性和高效性。

3. 方法

本研究构建了一种基于无序分布meta-pixel的超表面平台，采用两种区域利用策略进行对比分析：第一种为连续扇区划分（有序），即从金属透镜全孔径中选取连续区域用于目标功能实现；第二种为随机采样（无序），模拟艺术马赛克中的随机排列方式。

通过调节参数p表示所用面积比例，系统评估最小功能实现所需空间资源。以单波长聚焦为目标函数，分别测试两种策略下的斯特列尔比（SR）和点扩散函数（PSF）表现。进一步结合多波长金属透镜与结构光偏振成像系统，验证该方法在多功能集成方面的可行性与优越性。

方法图显示，图1：无序马赛克超表面平台示意图，显著增强功能密度。a 基于功能不同meta-pixel无序排列的马赛克超表面（上），包含非局部（左插图）或局部型（右插图）相位元件，支持多种光学功能；meta-pixel可通。

图1：无序马赛克超表面平台示意图，显著增强功能密度。a 基于功能不同meta-pixel无序排列的马赛克超表面（上），包含非局部（左插图）或局部型（右插图）相位元件，支持多种光学功能；meta-pixel可通过不同波长、轨道角动量（OAM）和偏振调控。不同颜色代表分配的不同功能。b 可扩展孔径多波长金属透镜；c 单次曝光结构光偏振成像。

4. 结果

实验结果显示，在无序采样策略下，即使p值降至0.1%，金属透镜仍能保持清晰的焦点图像，表明其在极低面积利用率下仍具备良好性能。随着空间有序性降低，斯特列尔比逐渐下降但整体稳定，说明该方法具有较强的鲁棒性。研究团队成功构建了一款直径达8.1毫米的宽带消色差金属透镜，在1200至1400纳米波段内实现高质量聚焦，焦移仅约1/30。

图2：无序增强功能密度及其在马赛克超表面中的应用。a 单功能超表面区域利用策略对比：基于扇区划分（有序，上）与随机采样（无序，下）。p减小时目标功能所占面积递减。b 金属透镜斯特列尔比随p变化曲线，有序（蓝线）与无序（红线）比较；左插图显示对应PSF——有序（上行）与无序（下行）；右插图展示p=0.1%时的PSF，焦点仍可辨识。c 从有序到无序转变过程中斯特列尔比变化，由Moran空间自相关指数量化，数值越高表示空间越有序；插图显示区域利用方式过渡过程。d 多功能超表面合成示意图。

该系统由11个特定波长的相位分布组成，每个meta-pixel采用非局部结构设计，具有约150的Q因子，有效抑制了不同波长间的串扰干扰，实现了多波段高效协同工作。第一张结果图显示，图2：无序增强功能密度及其在马赛克超表面中的应用。

a 单功能超表面区域利用策略对比：基于扇区划分（有序，上）与随机采样（无序，下）。p减小时目标功能所占面积递减。

图4：基于无序马赛克超表面的消色差金属透镜制备与光学表征。a 制备的8.1 mm直径消色差金属透镜光学图像；b 缩放meta-pixel的SEM图像，功能不同像素以伪彩色标出；c 单波长色差金属透镜纵向PSF测量结果（1230 nm、1280 nm、1330 nm）；d 消色差金属透镜在1200–1400 nm范围内的堆叠纵向PSF，焦移仅约1/30；e 11个不同波长下的横向PSF图，显示整个光谱范围内衍射极限聚焦；f 图e中1200 nm处PSF的线剖面，与理论衍射极限预测对比，峰值面积归一化至1，斯特列尔比约为0.78。

一句话总结：无序马赛克超表面实现高功能密度与多波段集成。