光开关是实现光动态调控的核心器件，是光通信系统与光计算架构的重要基础。传统光开关多依赖电学或机械调制，响应时间通常局限于纳秒至毫秒量级，难以满足高速通信和光计算对超快响应的要求；全光驱动虽可将响应时间推进至皮秒尺度，但现有基于共振纳米结构的全光开关通常缺乏对输出波前的控制能力。与此同时，光学超表面虽能以像素化方式灵活调控光的振幅、相位和偏振，但常规非共振或Mie型超表面响应带宽较宽，光致折射率变化不足以实现有效的开关调制；非局域超表面虽具有高品质因子（Q值）和窄线宽，并可结合几何相位实现像素化相位控制，但其几何相位方案对入射光偏振存在固有限制，难以适用于需要非偏振入射的常见场景。因此，如何在高Q值纳米结构中同时实现超快全光开关与输出波前整形，并突破入射偏振限制，仍是该领域亟待解决的关键挑战。

针对上述挑战，中国科学院苏州纳米所张兴旺团队提出一种具有单手性特征的非局域相位梯度超表面，并实验实现了面向非偏振入射、输出波前可定制的超快全光开关（图1a-b）。该团队通过打破超原子的面内对称性（图1c），在非局域超表面中构建出一种仅允许右旋圆偏振（RCP）光耦合的高Q值手性准连续域束缚态（BIC）（图1d）。该高Q值手性准BIC一方面可增强光与物质相互作用，结合飞秒激光诱导的光生载流子，能够在皮秒时间尺度上实现光学谐振的可控创建与湮灭（图1d）；另一方面，在非偏振光入射时，该手性准BIC仅允许RCP光耦合进入超表面，并伴随接近100%效率的正交偏振转换（图1d）。因此，该超表面等效于非局域几何相位超表面与右旋圆偏振片的功能集成，从而突破了几何相位超表面对入射偏振的固有限制。通过空间变化超原子取向角，研究实现了对透射左旋圆偏振（LCP）光的像素化几何相位调控。实验结果表明，该方案可在非偏振入射条件下实现同时具备实空间和动量空间波前控制的全光开关，弛豫时间短至约5皮秒。该工作打通了超快全光开关与多功能波前调控的融合路径，为多维度光场超快调控提供了全新平台。

图1. 波前可控型非局域超表面全光开关的工作原理示意图

该研究成果以Ultrafast All-Optical Switching with Engineered Wavefronts via Chiral Nonlocal Phase Gradient Metasurfaces为题发表在Advanced Functional Materials上。中国科学院苏州纳米所博士后王栎沣为第一作者，张兴旺研究员为论文通讯作者。研究获得了国家自然科学基金、江苏省科学技术厅、苏州市科学技术局的支持，同时也得到了中国科学院苏州纳米所纳米真空互联实验站（Nano-X）、纳米加工平台的支持。