经典定律
光波在传播过程中遇到两种不同的介质构成的界面时，由于介质折射率的不同，使光的传播方向发生偏折，一部分光返回原介质，另一部分光折偏折到另一种介质(图1)，这就是光的反射与折射 。光反射与折射的准确描述是在1657年由费马提出的费马原理确立。费马原理是从光程的角度来描述光波的传播路径，即光从一个点传播到另一个点总是沿着光程为极值(极大值或极小值)的那条路径传播。这一定律同时也说明了光波传播方向的改变与两种介质的分界面无关而与光的传播路径累积有关。 透镜、棱镜、衍射光栅等光学元件大都是在传播路径上通过改变材料的折射率或者是添加周期性的结构来实现对光束的控制，但是这些光学元件要实现好的功能往往需要许多的光学元件组合(图2)导致体积庞大，同时也存在像差，衍射极限 等缺点，这些缺点对于成像，集成等不利。

经典定律的打破：
美国哈佛大学的物理学家用一系列的实验证明控制光束可以不遵从这些经典定律，他们从介质的界面出发，通过精巧设计介质的界面结构来干预光束的传播。界面上的结构是由一层薄薄的类似“V”型的金属周期阵列(图3)组成，单个周期阵列中V型结构的大小、厚度与间距都小于入射波长，并且相邻V型结构的大小与两臂的夹角也不同，当光束通过这种阵列时，有的V型小结构可以使光“快速”通过，有的使光“延迟”通过(图4)，这样入射的光束在经过不同的结构时会有不同的延迟，垂直入射光束的反射与透射不再垂直。 所以可以通过设计阵列的大小与排布来实现对光束操控。目前他们利用这种金属阵列结构产生了螺旋光波，还制作了一些消球差的极薄平面透镜(图5)和锥透镜，以及四分之一波片。除了V型结构之外，还可以利用金属沟槽结构(图6)还有介质阵列结构来实现对光束的操控，Erez Hasman等人制作的介质沟槽阵列聚焦透镜，入射光波长10.6um聚焦光斑的半高宽216um(图7)在波长量级，突破了衍射极限。
这些光学元件比传统的光学元件更轻薄，而且能够突破衍射极限，从大小跟性能上都优于传统的光学元件，更适合现阶段对器件易于集成，轻便的要求。

图3 “V”型结构阵列图


图4 经阵列之后的“延迟“图


图5 极薄透镜相位与结构


图6 金属沟槽结构


图7    介质沟槽结构与其衍射光斑图

    新闻来源：中国科学院光电所