超构表面光场调控：从局域响应到非局域自由度

|作者：张树斌　肖淑敏　宋清海†

(哈尔滨工业大学（深圳））

本文选自《物理》2026年第2期

摘要超构表面为光场调控提供了一种超薄且高度可设计的平台，其早期研究主要依赖亚波长结构单元的局域散射响应，在实空间中实现对光场相位、振幅与偏振的点对点调制，推动了平面光学器件的快速发展。近年来，随着导模共振、连续域束缚态等物理机制的引入，超构表面逐渐突破局域调控范式，获得非局域自由度，从而在动量空间中呈现出显著的波矢依赖特性。在这一调控框架下，光场操控从单纯的局域响应设计，拓展为对空间频率分量与延展模态的整体工程化调控，使空间微分、能量横向输运及多功能光场操纵等局域器件难以实现的功能成为可能。围绕局域响应与非局域自由度的物理内涵与实现路径，文章系统梳理二者的本质差异及协同关系，以深化对超构表面光场调控机制的理解，并为新一代平面光学器件的发展提供物理依据。

关键词超构表面，光场调控，局域响应，非局域

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引 言

从2011年开始，在过去十余年中，超构表面逐渐发展成为光学领域中极具代表性的一类人工结构。其核心特征并不在于几何形态的平面化，而在于通过亚波长尺度的结构设计，对光与物质相互作用方式进行重新组织。借助这种方式，光场的相位、振幅和偏振等自由度可以在极薄的尺度内被灵活调控，从而为平面光学器件的小型化与功能集成提供了新的可能。这一思想的提出，使得许多传统上依赖体光学系统完成的功能，得以在单层或少数几层平面结构中实现；尤其是相位突变界面与广义动量守恒的引入，为超薄波前调控提供了清晰的物理语言与设计路径[1，2]。在其后的发展中，反射/透射型相位梯度器件、亚波长天线阵列的色散与效率权衡，以及对入射偏振通道的工程化选择，逐步把“能做什么”从概念层面推向了可重复的器件层面[3]。与此同时，等效电磁边界的观念也在不同频段被系统化：通过同时塑造等效电磁响应以抑制反射、提升透射效率，平面界面同样可以实现高质量的波前变换，这一思路为后续高效率介质超构表面与多自由度调控奠定了重要参照[4]。

围绕超构表面的早期研究，光场调控通常被理解为一种“局域响应”的问题。在这种图像下，超构表面由大量亚波长结构单元构成，每一个单元在入射光作用下产生局域散射响应，而整体光场则由这些局域响应在实空间中的排列共同决定。只要能够在每一个空间位置处赋予合适的散射相位或偏振变换，期望的波前或偏振分布便可以被重构。这种点对点的设计思路物理直观、实现路径清晰，也正因如此，它在超构表面发展的早期阶段发挥了基础性作用[1，2]。在相当长的一段时间内，这种基于局域响应的描述是足够的：一方面，几何相位与传播相位两条主线分别对应取向—偏振耦合和厚度/尺寸—传播延迟的两类相位编码机制；另一方面，从金属天线到高折射率介质纳米柱，材料平台的演进不断改善效率与带宽，使得局域相位像素更加接近工程可用[2，5]。特别是以高对比度介质纳米柱为代表的方案，在保持亚波长采样的同时实现了相位与偏振的统一调控，并把透射效率推到接近实用系统的水平，使局域范式的可实现性得到显著增强[5]。这些进展也直接带动了平面透镜、成像、光场编码等方向的快速推进：从衍射极限聚焦到亚波长分辨成像，再到多波长、宽带工作与阵列化实现，如图1所示，局域超构表面逐步从波前整形器件向平面光学系统部件过渡[6—9]。

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图1　经典的超构表面实现透镜功能 (a)局域超构表面实现的超透镜(左)具有宽带聚焦能力，非局域超构表面实现的超透镜(右)具有窄带聚焦能力；(b)超构表面(透镜)在光路中实现聚焦功能的测试系统示意图[9]

然而，随着研究对象逐渐从重构波前转向操控光场本身，局域响应图像的局限性开始显现。一些光学功能并不天然对应于某一空间位置处的局域操作，而是与光场在不同尺度上的分布及其相互关联密切相关。一个典型的例子是色散与带宽：局域单元在满足0—2π相位覆盖的同时，往往不可避免引入显著的结构色散，从而导致色差与效率随波长变化的系统性偏离。对此，研究中发展出“色散补偿”的局域设计策略，使得宽带消色差金属透镜与消色差器件在一定带宽内成为可能，并进一步在阵列化、成像链路中展示出系统层面的价值[6—8]。再例如幅度、相位和偏振的联合调控：若仍坚持每个像素只提供单一相位自由度，许多需要同时塑造能量分配与偏振纹理的任务将受到本征约束；因此，如何在单层结构中尽可能接近完整的琼斯矩阵工程，成为局域范式向更高维度扩展的关键一步[10，11]。此外，局域单元在近场增强与非线性过程中的作用也并非只表现为相位像素，其共振与局域场增强可显著改变辐射与频率转换效率，使超构表面在非线性光学与辐射调控中显示出不同于体材料的路径[12]。

与此同时，局域超构表面也不断向器件功能的外延拓展：例如利用介质共振实现高品质结构色与大色域显示，使平面结构具备同时面向成像与显示的潜力[13]；又如通过像素化介质超构表面把谱信息转写为空间条码，以成像方式实现分子指纹识别与化学分析，体现出局域设计在信息编码与检测路径上的可塑性[14]。在更宏观的层面，随着器件从单功能演示走向系统集成与场景驱动，局域超构表面在智能视觉与多模态感知中的定位也日益清晰：其价值不仅在于替代传统光学元件，更在于以亚波长采样把相位、偏振、色散等信息以更紧凑的方式前置到光学前端，从而重塑传感与计算路径[15]。这些趋势揭示了局域响应并非一个静态概念，而是一条持续演化的设计思路，它以局部散射为基础，通过材料、结构与编码策略的迭代，逐步吸纳更丰富的自由度[5，10，11]。

从傅里叶光学的角度看，许多光学操作本质上发生在动量空间，而非实空间。当调控目标涉及对不同空间频率分量的选择性处理，或需要在输入与输出之间建立全局性的映射关系时，单纯依赖实空间点对点调制的局域设计方式便难以胜任。这并非源于具体结构设计的复杂性不足，而是反映了局域响应范式在可操控自由度上的根本限制。正是在这样的背景下，非局域调控逐渐成为超构表面研究中的一个重要方向。所谓非局域，并不是指结构尺度的简单增大，也不等同于单元之间存在某种形式的耦合，而是强调器件的输出响应在某一点处依赖于入射光场在更大空间范围内的分布。从物理描述上看，这意味着超构表面的响应不再仅由实空间中的位置依赖函数刻画，而需要引入动量空间中波矢相关的传递特性[16，17]。光场调控的对象由此从局部空间位置，扩展至空间频率分量及其整体组织方式。能够实现这种非局域行为的物理基础，通常来源于在面内具有延展传播特性的光学模态。例如，导模共振、光子晶体板以及连续谱束缚态等结构，能够在不同空间位置之间建立有效的光学关联，使得平面结构中的辐射与传播过程不再是相互独立的事件[18，19]。在这些体系中，局域结构参数仍然发挥着重要作用，但其主要功能已从直接决定局部输出，转变为调控延展模态的耦合、辐射和选择性响应。特别是连续谱束缚态及其微扰形成的准连续谱束缚态，为在亚波长厚度内获得强烈的波矢选择性和高品质因数响应提供了清晰的物理机制[18]。从这一角度看，超构表面光场调控从局域响应向非局域自由度的拓展，并不是对既有方法的否定，而是对可调控物理变量的自然延伸。局域响应与非局域自由度分别对应于实空间与动量空间两个层面的调控问题，二者相互补充，共同构成了当前超构表面光场工程的物理基础。理解这种调控视角的演变，有助于把握该领域的发展脉络，并为进一步探索更复杂、更高维度的光场操控方式提供清晰的物理图像。

在这样的背景下，本文从超构表面光场调控最基本的两个层面来重新审视这一领域的发展脉络。一方面，基于局域响应的设计方法奠定了超构表面光学的物理基础，其直观性和有效性至今仍在大量器件中发挥作用；另一方面，随着调控目标的不断提升，引入非局域自由度逐渐成为理解和实现复杂光场操控的重要途径。

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超构表面局域响应

2.1　局域响应的物理图像与基本假设

在超构表面光学的发展初期，光场调控通常建立在一种高度直观的物理图像之上：入射光在平面结构中与亚波长尺度的人工单元发生相互作用，每一个结构单元在其所在位置产生局域散射响应，而整体光场则由这些局域响应在实空间中的排列共同决定[1，2]。在这一描述下，超构表面可以被等效看作由大量二维光学像素构成的阵列，每一个像素独立地对光场施加相位、振幅或偏振变换。这一局域响应图像之所以在相当广泛的情形下成立，依赖于若干隐含但关键的物理假设。首先，结构单元的横向尺度远小于工作波长，使其散射行为在远场近似表现为点源辐射，从而削弱了内部几何细节对空间分布的直接影响[1，2]。其次，单元之间的横向耦合被认为是次要效应，即每个单元的散射特性主要由自身几何与材料参数决定，而不显著依赖于相邻单元的具体状态；这一近似在早期天线阵列与相位梯度设计中被广泛采用，并在一定参数范围内给出了与实验相符的宏观波前结果[2，3]。在这些近似条件下，原本复杂的多体散射问题得以简化为一组相互独立的局域响应问题。

从等效模型的角度看，局域响应范式可被理解为一种“位置依赖的薄层散射近似”。在该近似下，超构表面对入射光场的作用可以用一个与横向位置相关的复响应函数来刻画，使透射或反射光场在平面处仅经历局域的幅度与相位调制。只要这一响应函数在横向尺度上的变化远慢于光在结构中可能产生的横向传播长度，局域散射近似便能够保持良好的有效性。从物理意义上讲，这一范式强调的是实空间中的因果对应关系：在给定的位置处赋予怎样的局域响应，将直接决定输出光场在相应方向或位置处的表现。正是这种清晰而直接的映射关系，使得局域响应成为超构表面设计中最易被理解、也最早被系统采用的调控方式[1，2]。

2.2　基于局域响应的调控机制与设计思路

在局域响应框架下，不同的超构表面设计策略虽然在具体实现机制上各不相同，但其物理出发点具有高度一致性。如图2所示，即通过调节结构单元的几何参数或取向方式，控制其局域散射特性，从而实现对光场的期望调控。无论是通过改变结构尺寸引入传播相位，还是利用结构各向异性产生几何相位，其设计目标始终是建立一种位置与局域响应之间的一一对应关系[1，5]。这一思想可以通过广义斯涅耳定律得到直观的半定量表述。将超构表面等效为一层在横向坐标

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图2　超构表面局域响应调控的基本思想 (a)当一束光入射到界面上时，在存在横向相位变化的界面上发生的传播行为，界面不再只是满足传统斯涅耳定律，而是引入了一个额外的横向波矢补偿项，使得出射角取决于界面的相位分布；(b)不同的微纳结构带来的相位变化，从而在远场实现对波前的调控[1]

也正因如此，局域响应方法在超构表面光学中长期占据主导地位，并在实验实现与工程应用中展现出良好的鲁棒性。值得强调的是，局域范式并不天然等价于低效率或窄带宽。一方面，通过引入等效电/磁响应并满足反射抑制条件，可在薄层界面实现高透射的波前变换，这在等效边界条件下具有明确的实现路线。另一方面，高对比度介质纳米柱平台提供了更接近工程可用的透射效率与相位覆盖能力，并可在同一平台内同时完成相位与偏振的统一设计，从而把局域像素从相位编码推进到通用偏振—相位器件[5]。沿着“像素自由度扩增”的方向，研究进一步发展出单层结构对幅度与相位的联合调控，以及对更一般琼斯矩阵的近似逼近，使得全息、矢量光场与多通道复用等任务能够以更紧凑的形式实现[10，11]。此外，局域共振单元还为非线性过程提供了可设计的局域场增强与辐射通道工程，从而把超构表面从线性波前器件拓展到频率转换与辐射调控等更广的范围[12]。

2.3　局域响应范式的适用范围

如图3所示，尽管局域响应范式在超构表面光学中取得了广泛成功，但其适用性并非没有明确的物理边界。从更一般的角度看，局域描述的有效性取决于器件对不同横向波矢分量的响应是否可以近似视为一致：当这一条件满足时，器件的传递特性在动量空间中近似为常数，实空间中的位置依赖描述便是自洽的[1]。然而，一旦器件开始承担更系统的任务——例如宽带成像所必须面对的色散、阵列化元件的像差累积、以及多自由度信息(相位、偏振、谱信息)的同时编码——局域单元的结构色散与自由度不足将以更直接的方式表现出来[6—8]。因此，如图3中局域体系中出现的消色差金属透镜、消色差相位梯度器件与阵列化成像结构，本质上是在局域框架内对色散边界的主动修补：通过在像素层面引入相位色散的补偿项或多共振响应，使不同波长在同一功能目标下获得尽可能一致的等效响应。这类策略在一定带宽内能够显著缓解色差，但当调控目标从单色波前走向宽带、多自由度、系统化时，局域近似的自洽条件将变得更加苛刻。

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图3　局域超构表面的典型器件 (a)结构色器件，通过局域共振调控反射或透射光谱，实现结构色显示，体现了单元级散射响应对颜色的直接控制[13]；(b)金属消色差超构表面，通过在不同波长下补偿局域相位色散，使聚焦位置在一定带宽内保持稳定[7]；(c)通过同时且独立控制正交偏振态的相位和振幅实现的多功能超构表面(左图)，可以实现一对正交极化态的任意且独立的幅度和相位控制(右图)，两个正交偏振态的相位(

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从另一个角度看，局域范式的边界也体现在自由度的不足：若只允许每个像素提供单一的相位通道，则对复杂矢量光场、幅度整形与多通道复用的支持必然有限。因此，近年来围绕单层结构能实现多大范围的琼斯矩阵或斯托克斯参数控制展开的工作，实际上是在局域范式内追问其能力上限，并通过更丰富的单元基元与排布策略来逼近该上限[10，11]。与此同时，局域超构表面在显示与检测方向的延展也揭示了另一类边界：当目标不再是输出某个连续波前，而是需要在有限像素数内实现高对比度编码或对微弱吸收进行增强读取时，设计的关键往往转向像素化编码策略、局域共振线型与读出链路的协同优化[13，14]。这些现象共同表明，局域响应范式为超构表面光学提供了坚实的起点，但其边界并不隐藏：它既受到“波矢响应一致性”的约束，也受到“像素自由度容量”的约束。正是在这一意义下，局域响应为引入非局域自由度提供了明确的物理动机与问题指向。

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非局域自由度：空间色散与动量空间调控

近年来，随着超构表面研究逐渐引入共振增强、高品质因数模态以及空间延展的电磁本征态，局域近似的适用范围开始受到根本性挑战。在此类体系中，某一空间位置处的感生极化不再仅由局域入射场决定，而是可能通过导模、晶格共振或集体耦合等机制，与结构中相距较远的区域发生关联。这种由空间相关性与动量选择性主导的响应特性，使得超构表面的散射行为无法再用简单的局域映射来刻画，而必须引入非局域响应的描述框架。从物理机制上看，非局域超构表面的本质在于存在能够在结构中传播或延展的电磁通道，这些通道有效连接了空间上分离的响应单元。根据这些通道是否保持入射波的面内动量，非局域超构表面可进一步表现出不同类型的响应特征。如图4所示，局域超构表面、非衍射型非局域超构表面以及衍射型非局域超构表面在物理机制和数学描述上均呈现出清晰而本质的区别，为理解后续复杂非局域光场调控提供了统一的概念框架[16]。

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图4　局域与非局域超构表面的物理响应差异示意图。在局域超构表面中(a)，每个结构单元的响应主要由其所在位置的入射场决定；而在非局域超构表面中(b,c)，器件响应依赖于入射光场在更大范围内的整体分布。(b)图中由结构本身支持的导模所主导的非局域响应，以导模介导的镜面/定向散射为主，结构中激发了延展的导模(绿色波纹，沿面内传播)，但最终的出射仍主要表现为规整的平面波分量；(c)图展示了在斜入射条件下非局域效应的进一步增强与重构。斜入射引入的平面内波矢分量为导模的激发提供了额外的动量匹配条件，使得非局域模式的激发对入射方向高度敏感，从而导致反射与透射波前出现明显的方向性畸变[16]

3.1　波矢选择性响应

当超构表面的传递函数对横向波矢呈现显著依赖时，器件对不同空间频率分量的响应不再等价。从线性系统的角度看，这相当于在动量空间对角谱分量进行加权与筛选；其在实空间中的等价表述，则是器件具有有限展宽的空间冲激响应核，使得输出场在某一点处由邻域范围内的输入场共同决定。这类响应通常被归入空间色散范畴，其物理内涵并不在于结构尺度的简单放大，也不能泛化为单元之间的近场耦合，而是指器件的线性响应必须以横向波矢作为独立参量加以刻画[16，20]。在局域响应范式下，超构表面对光场的调控主要通过实空间中位置依赖的相位或振幅分布来实现，其设计目标是重构某一预期波前。在这一框架内，不同横向波矢分量通常经历近似同构的局域散射过程，器件因而缺乏对空间频率结构本身的独立操控能力。非局域自由度的引入，则使塑造传递函数本身成为设计目标，从而使超构表面能够直接针对光场的空间频率组成进行调控。值得注意的是，这类由延展共振模态主导的波矢选择性并不限于线性滤波，也会显著改变非线性辐射的偏振与手性输出特征，从而把空间色散与非线性调控联系起来[21]。在图5(a)所示的体系中，不同入射角对应不同的横向空间频率分量，其透射的极化中显著差异直接反映了器件在动量空间中对角谱成分的选择性调制能力，而在图5(b)中不同的极化输入对应了不同的图像信息输出[22]。

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图5 (a)非局域超构表面对不同空间频率(横向波矢)分量的选择性响应。不同入射角对应不同的空间频率成分，其透射存在极化的显著差异(左旋和右旋)[21]；(b)基于空间频率选择性的光学模拟计算，实现了不同的极化输入对应于不同的图像输出[22]

围绕这一问题，已有研究从衍射与角谱的角度建立了较为系统的理论描述，将非局域超构表面的物理边界与设计自由度纳入统一的动量空间表述之中[17，19]。这一物理特性与光学模拟计算和图像处理之间存在天然对应关系。许多图像处理任务，如边缘增强、特征提取与背景抑制，本质上依赖于对高、低空间频率分量的差别化处理。当传递函数在一定工作带宽内逼近特定算符形式时，相应的操作可以在光传播过程中直接完成，而无需依赖后续数字算法或体光学系统。基于非局域超构表面的相关方案，已在二维图像处理、偏振复用计算以及二维拉普拉斯微分等方向得到实现，展示了在平面结构中直接执行空间算符的可行性[22，23]。进一步地，通过将非局域的角谱选择性与非线性过程相结合，还可实现跨波段信息提取与增强感知，其物理基础仍然源于对空间频率分量的选择性放大与抑制[24]。需要指出的是，这类能力并非通过增加局域单元的复杂度获得，而是依赖于设计范式的转变。当器件功能由模态与角谱响应共同决定时，基于单元散射库的点对点查表策略本身便会遭遇边界，相应地，更一般的模态—通道—色散联合设计成为必要[21，25—27]。在二维材料与介质共振结构耦合的体系中，准连续谱束缚态相关的高品质因数共振同样可以把非局域模态的窄带色散优势转化为显著的非线性增强与可调辐射通道[28]。

3.2　空间冲激响应展宽

非局域自由度的另一重要特征体现在器件空间冲激响应的有限展宽。与严格的点对点映射不同，此时输出光场在某一点处由一定空间范围内的输入光场共同决定，体现出明显的全局关联。其动量空间的等价描述，是传递函数呈现显著的非平坦结构；二者作为同一线性系统的两种表述形式，在物理上是等价的[16，20]。正是这种由空间色散引发的全局关联，使非局域超构表面在一定条件下具备对自由空间传播过程进行等效重构的能力。在自由空间中，不同横向波矢分量在传播过程中积累不同的相位与振幅演化；若能在亚波长厚度内工程化地实现类似的横向波矢依赖响应，便可用平面结构在一定程度上替代传播距离，从而实现自由空间的压缩与系统小型化。这一思想已被用于构建超薄上转换成像系统，如图6(a)所示，红外光经调制上变频至可见波段并在常规相机上直接成像。在理想情况下，如图6(b)所示，上转换过程应对不同入射角对应的空间频率分量具有一致的转换效率，即系统的角谱传递函数近似为常数，以保证红外图像在可见光域中的无畸变重构。然而在实际器件中，由于非局域模式具有显著的角色散特性，上转换效率对入射角表现出明显依赖：靠近法向入射、对应较小横向波矢的 传播分量更易与非局域共振模式匹配，从而获得更高的上转换效率，而大角度入射分量则受到抑制，如图6(c)所示。以上实验展示了非局域超构表面在红外到可见光非线性上转换成像中的全局响应特性，并在器件级和系统级层面得到验证[28，29]。

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图6　非局域超构表面的全局响应 (a)红外成像非线性上变频器的示意图，其中红外光照射物体并通过透镜(L1)时，被相干上变频为可见光，并被另一个透镜(L2)捕获，最终在传统硅基相机上观测；(b)理想的上转换过程应以相同效率转换所有从不同角度入射的光线，

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相较之下，局域响应范式由于缺乏对横向波矢的整体调控能力，往往需要多级光学系统或较长传播路径来实现类似功能，这在体积、对准复杂度和系统鲁棒性方面均存在局限。非局域方案通过将传播的动量依赖性内嵌于器件响应之中，使平面结构具备对光场整体传播特性的操控能力，更适合紧凑集成平台。与此同时，强非局域响应通常与窄带共振相伴，带宽、角度容忍度与效率之间的权衡因而成为设计中不可回避的问题[18]。为缓解上述限制，研究中提出了多种改进策略。例如，通过多共振与多通道设计，可以在同一平台上实现传播等效、滤波与波前操作的协同；通过空间解耦策略，将局域相位编程通道与非局域共振通道在结构上分离，则可在保持强非局域响应的同时引入可控的波前自由度[30—32]。此外，引入电、热或光调制机制，使非局域响应在不同工作状态下可切换，为平面器件在系统层面的灵活应用提供了新的可能性[33，34]。

3.3　延展模态与强空间色散

当非局域响应由延展本征模态主导时，超构表面的空间色散往往呈现出更为陡峭且高度结构化的特征。在如图7所示的非局域超构表面的本征模式调控体系中，器件对横向波矢的响应不仅存在依赖关系，而且在特定波矢与频率附近发生快速变化，其物理根源在于模态色散关系、辐射通道分布以及相干耦合过程的共同作用。为获得可设计的强空间色散，研究中发展了多种结构化手段。例如，通过布里渊区折叠或双区折叠机制，可将原本位于高对称点的模态有效引入可激发区域，从而在近法向入射条件下获得显著的角谱选择性；垂直方向耦合等策略则为引入额外耦合通道提供了可行路径[35，36]。

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图7　非局域超构表面的本征模式调控 (a)异常光束偏转：强空间色散导致异常光束偏转，器件对不同入射方向有选择性响应[36]；(b)单向手性本征模式发射：非局域模态通过双层结构的旋转实现单向手性辐射，左侧对称结构实现右旋圆偏振的发射，右侧上下层扭转结构实现左旋圆偏振的单向发射[40]

借助手性准连续谱束缚态并引入可重构材料，圆二色性可以从静态增强进一步走向连续可调甚至符号翻转，使偏振选择性成为由共振色散主导、可外场重构的响应量[27]。在这些体系中，不同入射方向的光场与延展模态的耦合效率存在明显差异，使器件输出对入射角高度敏感。这种方向敏感性为非局域超构表面在光定位与方向判别中的应用提供了物理基础。通过建立入射方向与输出信号特征之间的对应关系，可以在超薄平面结构中实现对光源方向或位置的识别。与依赖多通道探测或复杂几何布置的传统方案相比，这类方法将方向信息直接编码在器件的线性响应中，其稳定性主要由结构与模态特性决定[36，37]。进一步来看，强空间色散还为更广泛的物理任务提供了条件。一方面，延展模态与高品质共振可显著增强非线性过程，例如通过模式相互作用提升四波混频效率；另一方面，非局域超构表面也被用作量子光学平台，在特定材料体系中实现空间纠缠光子对的产生，表明角谱响应工程在经典与量子光场处理中具有共通的物理价值[16，35，38]。此外，如图7(b)所示，通过引入非厄米机制或拓扑特性，还可以获得更复杂的通道选择与响应结构[39]，从而拓展非局域超构表面在材料体系和物理机制上的边界[40，41]。

非局域自由度在超构表面平台上的优势并不取决于具体结构形式，而直接对应于空间色散这一物理内核。波矢选择性响应使超构表面能够对光场的空间频率组成进行直接调控，为光学模拟计算与图像处理提供了平面实现路径；空间冲激响应的展宽赋予平面结构对光场整体传播特性的操控能力，使其在有限厚度内实现对自由空间传播行为的等效重构；由延展本征模态主导的强空间色散则进一步使器件对入射方向高度敏感，为光定位、方向判别以及多参数感知等功能奠定了物理基础。从更一般的角度看，非局域自由度并非是对局域调控思想的替代，而是对超构表面可操控物理变量的自然扩展：前者作用于动量空间中的角谱结构，后者侧重于实空间中的位置依赖调制。二者相互补充，使超构表面光场调控的设计范式由单元级的点对点操作，逐步演化为面向模态、角谱与通道的系统工程问题。

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总结与展望

从设计方法的角度回看超构表面光场调控的发展，其最初的成功很大程度上源于局域响应范式所提供的清晰物理图像。通过将平面结构等效为由亚波长单元构成的阵列，复杂的波动问题被转化为实空间中的相位、振幅或偏振分布设计。这一处理方式直观而有效，使波前整形、偏振调控和平面透镜等功能得以在超薄结构中实现。但随着研究关注点的变化，这一图像并非在所有情形下适用。当调控目标开始涉及空间频率结构、方向判别或更整体的场关联时，器件行为逐渐表现出对输入波前形态本身的依赖，而不再仅由入射角或频率决定。这类现象在若干基于延展模态的体系中已有清晰体现，其中器件对波前的选择性直接反映了非局域自由度在平面内的作用。在这些情况下，继续以点对点的局域调制来理解器件响应，往往是不充分的。

引入非局域自由度并不意味着放弃波前调控。相反，在强空间色散条件下仍然可以形成明确且稳定的输出波前，只是其形成机制已不再服从局域相位简单叠加的直觉描述[42]。在某些体系中，实空间中引入的局域自由度可以在不显著改变整体色散骨架的前提下独立发挥作用，从而为波前或偏振调控提供额外接口[41]。这类结果表明，局域与非局域并非天然对立，而是可能在不同层面上各自发挥作用。在具体实现上，一种逐渐清晰的思路是将非局域延展模态作为光场相干性和选择性的“承载体”，而将局域结构参数用于对输出特征的精细调控。这种分工关系在平面激光器体系中表现得尤为直观，其中非局域模态决定激射 条件，而局域几何参数则用于塑造远场分布或偏振状态[43]。类似的协同思想也出现在波前调控与方向选择的结合中，通过在非局域共振背景下引入受控的局域相位梯度，可以在不破坏共振条件的情况下实现额外的调控维度[44]。非局域响应并不局限于单一通道或单一用途。随着体系中可参与辐射的延展模态数目增加，动量空间响应可能呈现多分量结构，使同一平面器件在不同工作条件下承担不同角色。与此同时，一些早期形成的设计直觉也需要被重新审视。例如，几何相位并不必然对应宽带调控，在强共振背景下引入几何相位仍可实现高度选择性的窄带响应，其具体表现取决于其在整体响应结构中所处的位置。当非局域延展模态在平面内形成低损耗传播通道时，其影响已经超出单一器件层面[45]。相关研究表明，多节点之间可以通过该通道建立长程、可重构的相干关联，使超构表面逐渐呈现出二维光场的特征，而不再只是孤立的功能器件。这一趋势提示，非局域自由度正在改变人们对平面光学系统尺度和复杂度的传统认识。目前超构表面光场调控正在从以局域响应为核心的静态设计，逐步走向同时考虑局域、非局域以及时间维度的综合调控。不同自由度并非相互替代，而是在不同问题层级上各自发挥作用。围绕这些自由度如何在同一平台中协同工作，并在可控性与复杂性之间取得平衡，仍有许多基本物理问题值得进一步探讨。

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