超構光學為平面光學器件的發(fā)展提供了新的思路與方向。超構器件由亞波長人工納米結構組成，能在二維平面上實現(xiàn)對入射光的振幅、相位和偏振的操縱。研究人員已經(jīng)發(fā)展了多種超構表面技術，將其用于滿足各式各樣的光學需求。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，香港城市大學的科研團隊在《光學學報》期刊上發(fā)表了以“超構器件的設計、制造與成像應用”為主題的文章。該文章第一作者為冷柏銳，通訊作者為蔡定平教授。

本文首先回顧了超構器件的前沿研究與技術發(fā)展現(xiàn)狀，介紹了超構器件的廣義設計流程，并以連續(xù)寬帶消色差超構透鏡為例進行逐步說明，幫助讀者理解；然后，展示了多種超構器件加工方法，包括直寫刻蝕、圖案轉移刻蝕和混合圖案刻蝕等，進一步討論了超構器件在成像應用中的發(fā)展，包括偏振成像、光場成像、光學感測以及生物成像等；最后，進行了總結，并對超構器件未來的發(fā)展提出了見解與展望。

設計流程

方法與原理

超構器件設計和制造的一般原理和方法如圖2所示。首先需要確定組成超構表面的基本單元——超構原子（meta-atom）或超構分子（meta-molecule）的設計。超構原子的光學特性主要由其納米結構的幾何形狀和配置決定，故需要確定用于制造納米結構的材料的介電常數(shù)、磁導率和折射率等，以通過計算仿真得到該結構的色散函數(shù)等基本參數(shù)。使用商業(yè)軟件CST、Lumerical和COMSOL Multiphysics等對透射或反射光譜進行仿真計算。通過這樣的手段，可以獲取各種結構所具有的色散函數(shù)、效率、相位和偏振等光學性質。

將這些光學信息與其對應的納米結構設計存入一個數(shù)據(jù)庫中。隨后，根據(jù)所設計的超構表面的功能，獲取實現(xiàn)該功能所需要的表面相位、振幅或偏振分布。根據(jù)該分布，可以從以上數(shù)據(jù)庫中快速選取與之匹配的結構單元。對要求苛刻的光學超構器件來說，在計算和設計中還需要考慮規(guī)格和制造的限制。半導體大規(guī)模生產(chǎn)過程的關鍵臨界尺寸和經(jīng)驗參數(shù)可以幫助判斷光學超構器件設計的可行性。在充分了解以上數(shù)據(jù)和信息之后，才能生成電子束刻蝕所用的光罩布局或用于大規(guī)模納米制造的光刻掩模。使用微米或納米光學光譜的實驗光譜測量可以對超構原子或超構分子的實際功能進行驗證。可以使用透射電子顯微鏡（TEM）、掃描電子顯微鏡（SEM）、原子力顯微鏡（AFM）和近場掃描光學顯微鏡（NSOM）等實現(xiàn)對納米結構、超構表面和超構器件的表征。此外，使用光學測試和測量來檢查超構器件的參數(shù)也是重要的一步。

圖2 超構器件的設計、制造和測試流程

光學寬帶消色差超構透鏡

在傳統(tǒng)的光學成像過程中，一般需要使用復合透鏡組來補償色散，而復合透鏡組的使用使得整個色散補償系統(tǒng)變得大而笨重。超構表面和超構器件的出現(xiàn)則為消色差透鏡的設計提供了一種有效的解決方案。以圖3（a）所示的反射式近紅外寬帶消色差超構透鏡為例，超構透鏡表面的納米結構如同一個個可以操縱入射光的超構原子，充當二級發(fā)射天線波源，產(chǎn)生特殊設計的波前，實現(xiàn)聚焦。

圖3 寬帶消色差超構透鏡的設計原理

按照圖2所示的流程與前述設計原理，制作了如圖3（e）所示的寬帶消色差超構透鏡。其中，結構單元由金納米棒組成，設計數(shù)值孔徑NA為0.268，直徑為55.55 μm。圖3（e）所示為該超構透鏡的光學圖像，該圖像表明透鏡表面不同位置的光學響應不同。

圖3（f）中給出了圖3（e）所示超構透鏡的局部放大SEM圖像。從SEM圖像中可以觀察到，不同半徑位置的超構原子旋轉角度不同，這對應了幾何相位的設計。同時，不同結構設計的超構單元也可以從該圖像中分辨出來。

該消色差超構透鏡的表征結果如圖4所示。焦距測量的實驗裝置如圖4（a）所示。從圖4（b）、（c）可以發(fā)現(xiàn)，在1200 nm ~ 1680 nm的測量范圍內，測得焦距f在100 μm左右，與仿真結果一致，證明該超構透鏡具有消色差的能力。此外，在不同NA的設計中，測得的焦距均與仿真結果一致，保持在設定焦距附近，進一步證明這樣的設計準則可以廣泛用于寬帶消色差超構透鏡的設計。

圖4 消色差超構透鏡的表征

加工技術

目前一般有三類成熟的超構器件加工方法，分別是直寫刻蝕、圖案轉移刻蝕和混合圖案刻蝕。需要注意的是，以上三類加工技術主要用于被動光學超構表面的加工制造，主動可調超構表面的制造方法則不在本文的討論范圍之內。

直寫刻蝕技術

光刻，作為一種已大規(guī)模應用于半導體微電子制造的成熟納米加工技術，具備高產(chǎn)、大尺寸制造和大批量生產(chǎn)的優(yōu)點。一般而言，光刻技術利用聚焦透鏡將光聚焦，以便將光掩模上的幾何圖案轉移到對光敏感的化學制品——光刻膠上，從而實現(xiàn)納米尺度的結構制造。由于聚焦光斑的大小（分辨率）受到衍射極限的限制，若需要加工具有精細結構的超構表面，則需要使用具有更短波長的光源。但是，短波光源也有其缺點，例如容易造成鏡片和掩模的損壞等。為了規(guī)避以上問題，可以利用無掩模直寫刻蝕技術來制造超構器件。無掩模直寫刻蝕技術的分類及相應優(yōu)缺點如表1所示。

表1 直寫刻蝕技術的特性

粒子束刻蝕使用聚焦的高斯粒子束來產(chǎn)生粒子高度集中的聚焦點，每一次寫入并曝光一個像素點。其中兩個比較成熟的方法是電子束刻蝕（EBL）和聚焦離子束刻蝕（FIB）。電子束刻蝕以及圖案轉移技術可以根據(jù)其中材料生長的方式分為“自下而上”和“自上而下”兩種納米結構制造方法。前者采用原子或分子的蒸發(fā)或沉積，輔以后期的剝離步驟，就可以加工出納米級結構；后者則是指通過使用刻蝕工藝來得到納米結構。

Wang等開發(fā)了一種“自下而上”的方法來加工在紅外波段具有寬帶光學特性的超構表面，如圖5（a）所示。第一步，通過電子槍蒸發(fā)器把金（Au）沉積在硅基襯底上形成一層金鏡；第二步，使用等離激元增強化學氣相沉積（PECVD）將一層二氧化硅沉積到基板上，充當介電材料間隔層；第三步，將抗蝕劑層（電子膠）旋涂在準備好的基板上并在加熱臺上加熱烘干，再將Espacer旋涂在抗蝕劑層上，而Espacer是一種具有高導電性的有機聚合物，它可以減少電子束曝光過程中引起的位置誤差；第四步，通過電子束曝光和顯影定義超構表面的結構圖案；第五步，通過金屬蒸鍍再沉積一層金原子；第六步，剝離多余的金屬和抗蝕層，便得到最終所需要的超構表面結構。圖5（b）展示了利用該技術加工得到的超構表面的SEM圖（俯視圖）。

圖5 電子束刻蝕過程及SEM圖像

此外，提出一種自上而下的超構表面加工方法，如圖5（c）所示。第一步，利用金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）方法沉積一層未被摻雜的氮化鎵，再利用PECVD方法沉積一層二氧化硅硬掩模；第二步，將抗蝕層旋涂在待加工材料表面；第三步，使用電子束曝光進行刻蝕，然后顯影清洗，得到目標圖案；第四步，用電子槍蒸發(fā)器涂覆一層鉻（Cr）作為刻蝕硬掩模，并且剝離不需要的抗蝕層和金屬；第五步，通過反應離子刻蝕（RIE）將圖案轉移到SiO?層；第六步，將具有圖案的SiO?作為硬掩模層，通過電感耦合等離子體刻蝕（ICP-RIE）技術來刻蝕基板；第七步，用緩沖氧化物刻蝕（BOE）溶液去除SiO?硬掩模層，就可以得到基于氮化鎵的透射式超構透鏡。利用SEM得到其俯視圖，如圖5（d）所示。若想利用電子束刻蝕實現(xiàn)大規(guī)模制造，會面臨以下的挑戰(zhàn)：1）加工成本高；2）花費時間長；3）加工過程中需要高度穩(wěn)定的環(huán)境；4）由于電子進入抗蝕層后會出現(xiàn)散射，電子束刻蝕的分辨率受到鄰近效應的限制。

另一種粒子束刻蝕技術是聚焦離子束刻蝕。該技術是用離子束，而不是電子束的一種一步刻蝕工藝，通過納米精度的濺射技術對樣品表面進行加工，輔以SEM，可以形成所謂的“雙束系統(tǒng)”，使聚焦離子束刻蝕實現(xiàn)直接可視化的功能。利用該系統(tǒng)可以同時觀察和加工樣品的任意指定位置。圖6（a）展示的是利用這種技術制造的能產(chǎn)生并聚焦渦旋光的超構表面SEM圖像。也有研究人員利用該技術制造可見光全息圖超構表面。因為該刻蝕技術的成本高、產(chǎn)量低，故不適用于大面積生產(chǎn)。此外，其在制造過程中也面臨諸多挑戰(zhàn)，例如橫縱比有限、離子摻雜濃度高、研磨時間長導致的樣品漂移，以及在成像和銑削過程會造成樣品的損傷。

圖6 直寫光刻技術制備的超構表面

探針掃描刻蝕（PSL）是另一種用于納米制造的技術，它的分辨率由其所采用的AFM技術決定。它利用探針刮刻在抗蝕劑（刻蝕膠層）上形成所需要的納米圖案，或將納米粒子排列成所需圖案。Jak?i?等提出一種工作在中紅外波段的有負折射率的超構表面，該超構表面是通過探針掃描刻蝕技術加工的，而表面形貌圖由AFM得到。基于AFM的探針掃描刻蝕系統(tǒng)的主要問題是其橫縱比較小——“劃痕”相對較寬，但高度較小。

為解決納米加工中結構縱橫比小的問題，還開發(fā)了其他器件，如掃描隧道顯微鏡（STM）和掃描近場光學顯微鏡（SNOM）。然而，它們的制造速度慢，價格高昂。為了實現(xiàn)批量樣品制造，需要進一步改進探針掃描刻蝕技術，使其能用于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。

針對具有更好靈活性、更高精度、更好均勻性的大面積制造技術的需求，衍生出兩種基于激光的無掩模方法——激光直寫（LDW）光刻和激光干涉光刻（LIL），這兩種方法均能夠快速且低成本地加工微納米結構。

激光直寫光刻利用計算機控制的光學系統(tǒng)，不使用掩模，直接將所需的納米圖案投射到光刻膠上。它不僅能對那些很難進行機械加工的材料進行納米加工，還能加工立體的三維結構——通過調節(jié)激光曝光劑量直接在不同的光敏材料（光刻膠）中打印出所需的3D表面輪廓。Guo等利用該工藝設計并制造了具有連續(xù)形狀的超構表面，抑制了離散系統(tǒng)中產(chǎn)生的相位噪聲，如圖6（b）所示。激光直寫加工所用到的材料和系統(tǒng)成本相對較低，并且可以配合空間光調制器（SLM）和可調振鏡的使用來進行大面積、高效率的樣品加工。故激光直寫光刻有效地兼顧了加工成本和大面積加工兩個方面。但是，這種方法的缺點是它不能進行批量處理，每個樣品都要獨立加工，無法進行批量生產(chǎn)。

為了能用激光來制備大面積、周期性的納米結構，另一個可行的做法是利用兩束或多束相干激光束之間的干涉直接產(chǎn)生大面積的周期圖案。利用上述雙光束LIL技術，可以加工出能實現(xiàn)線偏振轉換的超構表面，該超構表面由平面橢圓形的等離激元諧振腔陣列組成，如圖6（c）所示。通過非共面光束多次曝光的激光干涉光刻可以產(chǎn)生更復雜的周期納米結構。圖6（d）所示即為一種利用正交激光干涉光刻技術制造的含有二維復雜納米結構的超構表面，這個器件可作為一個寬帶的、高效的反射式波束偏振分離器。激光干涉光刻是一種大面積、高效、廉價、無掩模的批量生產(chǎn)技術，但是僅適用于周期性納米圖案的加工。

圖案轉移刻蝕

圖像轉移刻蝕是為了滿足高產(chǎn)量和大面積制造要求而發(fā)展起來的一類技術，其特性如表2所示。本節(jié)將介紹幾種屬于這一范疇的技術，包括等離激元、納米壓印和自組裝刻蝕。

表2 圖案轉移刻蝕的特性

等離激元刻蝕技術可用于獲得超越衍射極限的深亞波長分辨率。將介質層夾在具有亞波長納米結構的掩模和光敏電阻涂層襯底之間。垂直入射光在金屬和介質界面將激發(fā)自由電子振蕩，產(chǎn)生表面等離激元（SPP）。SPP波能夠將光場限制在一個比入射光的波長小得多的尺度內。當該結構作為光源出現(xiàn)于光阻涂層基板上時，可獲得較好的亞波長特性。帶有銀透鏡的反射等離激元刻蝕結構示意圖如圖7（a）、（b）所示。Luo等使用該技術制備了各向異性的陣列納米槽超構表面。金屬損耗的存在，導致該刻蝕產(chǎn)生的SPP波的傳播距離很小。因此，需要在掩模的下面放置一個超構透鏡，以提高通過掩模投射到刻蝕膠上的效率，如圖7（c）、（d）所示。由于超構透鏡具有負折射率，這種嵌入超構透鏡的SPP刻蝕將使入射光與表面的法線方向形成一個負角度。此種刻蝕技術具有高通量和低成本的優(yōu)點，但分辨率需要進一步提高，且目前還無法制出用于大規(guī)模生產(chǎn)的大面積光掩模。

圖7 等離激元刻蝕技術的刻蝕結構及SEM圖像

納米壓印刻蝕（NIL）是一種利用機械變形來復制納米結構的技術。通常的NIL是通過將納米結構母模壓制在基板上，同時通過加熱（即熱NIL）來固化涂覆在基板的聚合物。當模具從基板上分離后，圖案即被轉移到聚合物層。熱納米壓印刻蝕已被用于制備混合鈣鈦礦超構表面，如圖8（a）、（b）所示；用于制備超薄偏振等離子體超構表面，如圖8（c）所示；用于制備高效超寬帶反射器的全介質超構表面，如圖8（d）所示。

圖8 利用納米壓印刻蝕制備的超構表面

還有一種方法是紫外納米壓印刻蝕（UV-NIL），該方法使用旋涂方法覆蓋基板上的液相聚合物。在壓印過程中，聚合物經(jīng)紫外線輻射后形成聚合物交聯(lián)，將聚合物固化。為此，模具必須采用對紫外光透明的材料，并能在室溫/低壓印壓力下進行加工。Yao等利用UV-NIL技術實現(xiàn)了超構表面，如圖8（e）所示。該設計在可見光到紅外的波段內具有單向光傳輸?shù)墓δ埽⑶揖哂休^好的消光效果。圖8（f）所示的用于紅外二氧化碳傳感的超構表面熱發(fā)射器也是用UV-NIL技術制造的，在壓印過后需利用可溶性UV抗蝕劑進行單層剝離。

當需要進行大面積的納米結構制造時，可以使用自組裝刻蝕技術，該技術具有高效和簡便的特點。納米球刻蝕（NL）技術是一種有很大應用潛力的自組裝技術。該技術將低成本的膠體自組裝聚苯乙烯（PS）球用作硬掩模，與刻蝕或沉積技術相結合。如圖9（a）所示，規(guī)則排列的納米球的生成過程簡單且成本低廉。聚苯乙烯球在空氣和水界面上自組裝成緊密排列的六角形晶格，然后從容器中緩慢抽出水，將單分子層轉移到目標基板上。Bonod制出一種在絕緣體上涂覆硅基板（SOI）的介質超構表面，單層自組裝的PS球在刻蝕過程中起硬掩模的作用。測得樣品的反射率對PS技術所留下的無序殘余物不敏感。這是因為硅柱中發(fā)生了磁偶極子諧振，而非電偶極子諧振。全介質超構表面也可以通過NL工藝在柔性襯底上制作，可用于傳感領域，如圖9（b）、（c）所示。上述柔性襯底由聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）制成，這是因為該聚合物在可見光波段是透明的，故通常用于承載復雜的電子系統(tǒng)。

圖9 自組裝刻蝕

傳統(tǒng)的納米球刻蝕迄今為止僅能產(chǎn)生簡單的周期圖案。為了得到更復雜的周期性納米結構，研究人員已經(jīng)提出了一些改進的納米球刻蝕技術。陰影納米球刻蝕利用多個等離子體腐蝕的膠體掩模從多個角度連續(xù)沉積來制造更復雜的結構，如圖9（d）、（e）所示。操縱球體的陰影提供了一種高效的生成周期超構表面的新辦法。此外，利用堆疊的兩層聚苯乙烯納米球和金屬沉積掩模的Moiré納米球進行刻蝕，可以產(chǎn)生具有Moiré圖案的超構表面，如圖9（f）、（g）所示。該超構表面具有高旋轉對稱性，支持多種表面等離子體模式，從而增強了寬帶場。總之，納米球刻蝕技術是一種非常實用的技術，可用于大片的基板制備，但存在均勻性不足的問題。

混合圖案刻蝕

混合圖案刻蝕是一種結合上述不同刻蝕方法的技術，能實現(xiàn)具有更復雜納米結構的超構表面制作。混合圖案刻蝕的特性如表3所示，下面將介紹兩種混合圖案的方法。

表3 混合圖案刻蝕的特性

微球投影刻蝕技術能快速制造周期與準周期超構表面結構。該技術把能自組裝的二氧化硅球陣列當作膠體微透鏡。這些微透鏡能分別將遠處的大尺寸掩模所攜帶的圖案投射到涂覆后的基板上。圖10（a）給出一種非周期超構表面的制造過程示意圖。該超構表面便是利用硅模板將圖案轉移到基板上。這些納米小球僅會粘附在硅片上填充有聚乙烯亞胺（PEI）的孔內，隨后用丁烷噴槍熱分解去除PEI。用聚合物板抓取小球陣列，然后讓其與基板接觸。經(jīng)曝光顯影后，通過金屬化和剝離或刻蝕實現(xiàn)圖案轉移，利用該方法得到的超構表面如圖10（b）所示。

圖10 混合圖案刻蝕與光刻技術的流程及SEM圖像

該方法能加工尺寸在0.4 μm ~10 μm的結構，符合超構表面研究的加工需求；其低成本、快速制造的特征滿足了研究上需要快速驗證的需求。

目前，具有傾斜納米柱且能夠保證其緊湊、可擴展特性的定向超構表面很難實現(xiàn)大批量、高性價比生產(chǎn)。圖10（c）所示為一種能大批量便宜生產(chǎn)納米柱的方法，該方法結合孔掩模膠體刻蝕和非垂直沉積法來制備定向超構表面。首先，將PS球隨機分散在涂有聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）的基底上，沉積一層金屬薄膜；然后，通過膠帶剝離去除PS球，以形成孔掩模。從非垂直方向沉積后去除PMMA，便會形成偏傾斜的納米柱。

圖10（d）顯示了具有面外（z軸方向）不對稱的傾斜亞波長金納米柱的等離激元超構表面。光入射在該超構表面時會從這些不對稱結構上散射，從而產(chǎn)生方向性的光學響應。

需要注意的是，除了以上三類加工方法以外，超構表面的圖案也可以通過光刻獲取，與現(xiàn)有半導體微電子制造的工藝展現(xiàn)出很強的兼容性。Park等使用深紫外（DUV）投影光刻技術證明可在4 inch（1 inch=2.54 cm）熔融石英晶片上實現(xiàn)超構透鏡加工。圖10（e）給出了利用DUV投影光刻制造超構透鏡的流程。首先通過DUV投影光刻、干刻蝕將圖案轉移到鉻。隨后將鉻作為硬掩模，用氟化物氣體作為干刻蝕，得到納米柱結構。這樣的加工工藝實現(xiàn)了厘米尺寸的光學超構透鏡的制造，如圖10（f）所示。DUV光刻給出了另一種批量生產(chǎn)大尺寸超構器件的方法，但存在分辨率較低，且成本較高的缺點。

成像應用

偏振的產(chǎn)生與成像

一般來說，光的偏振狀態(tài)可以通過晶體的雙折射特性獲得，利用兩個正交偏振分量在傳播時積累的相位不同改變偏振狀態(tài)。這樣獲得的偏振控制設備體積通常較大，并受到工作帶寬窄和可選材料有限等的限制。超構表面則展現(xiàn)出解決這些問題的能力。

圖11（a）所示為利用反射式超構表面實現(xiàn)任意偏振所產(chǎn)生的器件。該器件可將整個可見光譜內的線偏振入射光轉化為任意偏振的光束，并能將這些偏振分離開。其中，不同偏振的產(chǎn)生可以通過改變RCP與LCP之間的相位差來獲得，如圖11（a）的右圖所示。而偏振的分離利用了幾何相位方法，通過產(chǎn)生不同的空間相位梯度變化來產(chǎn)生不同的反射角，分離不同偏振狀態(tài)的反射光束。該方法產(chǎn)生的偏振純度極高，能與商業(yè)產(chǎn)品相媲美。

圖11 基于超構表面的偏振產(chǎn)生與成像

Yu等利用超構表面制作了一種寬帶無背景散射光的四分之一波片，在寬帶波長范圍（5 μm ~12 μm）內可以產(chǎn)生橢圓度大于0.97的高質量圓偏振光，如圖11（b）所示。利用V型天線，他們設計了由兩組指向不同的天線組成的單元，使每個子單元中對應的偏振散射光（2β-α）滿足（2β1-α）-（2β2-α）=90°的關系，這就保證了入射光分裂成兩個正交偏振狀態(tài)。空間相位梯度使得散射光發(fā)生異常反射，從而產(chǎn)生無背景散射的出射光束。這些正交分量之間的相位延遲與前述設計［圖11（a）］相同，均是通過控制子單元之間的偏移距離來實現(xiàn)。

利用具有各向異性光學響應的非對稱納米天線也可以實現(xiàn)有四分之一波片功能的超構表面，Zhao等和Chen等就分別在可見光和近紅外區(qū)域實現(xiàn)了圓偏振到線偏振的轉換。此外，超構表面也用作半波片，實現(xiàn)線偏振光的偏振方向轉換。

超構透鏡在偏振成像應用上亦有巨大的優(yōu)勢，組成超構透鏡的納米天線自身即具有偏振相關的特性，保證了高偏振對比度的偏振成像。而傳統(tǒng)上利用棱鏡和波片等光學元件組成的偏振成像系統(tǒng)，不僅設計復雜，而且偏振對比度較低。

圖11（c）顯示了基于幾何相位設計的介質超構透鏡，該透鏡可以同時捕獲同一視場內生物標本的兩個光譜分辨圖像。幾何相位是手性敏感的，所以可以僅使用單個超構透鏡與相機組成的成像系統(tǒng)，實現(xiàn)在整個可見光譜中探測生物標本的圓形二色性。因此，基于超構表面的偏振光學系統(tǒng)中，允許在一對正交偏振態(tài)上施加兩個任意且獨立的相位分布。該方法除了幾何相位外，同時還利用傳播相位進行調制。

圖11（d）展示了一種由3個不同的超構透鏡組成的小型超構器件。該器件可將光分割并聚焦在圖像傳感器的6個不同像素點上，對應3種不同的偏振態(tài)。該設備可用來捕獲復雜偏振物體的圖像，因此可用作近紅外域的全斯托克斯偏振相機。Yang等使用類似的方法演示了1550 nm波長下的廣義Hartmann-Shack偏振光束分析器的功能，該分析器允許同時測量光束的相位和空間偏振曲線。該超構表面陣列是硅基的，可以使用互補的金屬氧化物半導體（CMOS）兼容工藝進行批量生產(chǎn)。Yan等利用全介質超構表面，將實時偏振成像拓展到中紅外波長范圍。Rubin等則將傅里葉光學的概念拓展到矩陣上，并根據(jù)此概念設計了超構表面光柵，實現(xiàn)對任意偏振的分析。

光場成像與感測

光場成像可以獲取光場的高維輻射信息。在理想情況下，光場圖像可以提供包括物體的位置、速度和光譜信息在內的空間坐標。圖12（a）所示為全彩光場成像系統(tǒng)，其中多維光場信息可通過GaN消色差超構透鏡陣列獲取。在傳感平面捕獲的多幅圖像能提供渲染圖像中的深度信息，如圖12（a）左圖所示。在一定時間范圍內獲得的深度信息也可以用來計算物體在該范圍內的速度。在非相干白光的照射下，利用該陣列系統(tǒng)能對1951USAF分辨率測試表進行成像，所成圖像能達到約1.95 μm的衍射極限分辨率，如圖12（a）右圖所示。

圖12 超構透鏡光場成像與感測

Chen等利用3600個消色差透鏡組成陣列，設計了一種緊湊的多功能立體視覺系統(tǒng)，實現(xiàn)對30 cm范圍內的深度測量。如圖12（b）所示，該超構透鏡陣列不僅能與上述設計一樣，通過收集光場信息來實現(xiàn)深度檢測，還可以與光源集成，形成有源光學器件，投射結構光。因此，該器件既可以用于明亮環(huán)境下的光場成像系統(tǒng)，也可以用作黑暗環(huán)境下的結構光投影器件，實現(xiàn)深度檢測。兩種方式得到的深度信息都是利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡分析提取的。此外，Guo等受跳蛛利用多層半透明視網(wǎng)膜實現(xiàn)深度感知的啟發(fā)，設計了一種利用單個超構透鏡提取深度的方法。該方法對單個超構透鏡進行空間復用，分離透射光，使傳感器能在不同區(qū)域上同時捕獲具有不同焦散的圖像，使用少量計算便可從圖像中提取深度。

Fan等利用集成成像捕獲和重建了光場信息，該方法的工作流原理與光場相機相反。圖12（c）給出了集成成像的工作原理圖，利用算法對3D場景進行編碼并在自由空間中重建光學圖像。該設計中使用與偏振無關的氮化硅消色差超構透鏡陣列實現(xiàn)可見光區(qū)域的重建，以渲染三維場景。該超構透鏡陣列可以實現(xiàn)衍射極限聚焦和白光集成成像，如圖12（d）所示。

超構透鏡陣列還可用于光場邊緣成像系統(tǒng)，Chen等利用60×60的GaN超構透鏡陣列實現(xiàn)了400 nm到660 nm波長范圍的邊緣檢測，如圖12（e）所示。該設計支持一維到三維的邊緣檢測，能捕獲并計算物體的所有光場信息，其中三維邊緣檢測指的是攜帶深度信息的二維邊緣圖像。攜帶深度信息的邊緣圖像可通過圖像渲染提取。

除以上提到的超構透鏡陣列外，單個超構透鏡也可用于輔助確定高度。將超構透鏡與圖像傳感器集成，拍攝特定的圖案，即可根據(jù)圖案大小確定深度。例如將超構透鏡安裝在無人機上，拍攝地面上的特定圖案H，即可測出無人機的高度，并將其用于輔助飛行和降落，如圖12（f）所示。由于超構透鏡的質量很輕，能顯著降低功耗，故很適合用作微納機器人、微型飛行器的成像組件。

生物醫(yī)療成像

對生物體細胞組織進行成像是完成疾病診斷、醫(yī)藥研發(fā)和生物學研究等的重要一環(huán)。光學超構透鏡有望應用到細胞生物學研究、臨床治療等場景中，替代由傳統(tǒng)透鏡組成的生物組織成像系統(tǒng)和手術設備，實現(xiàn)上述設備的小型化。

光學超構透鏡系統(tǒng)可用于內窺鏡成像，獲取臨床上需要的高分辨率光學圖像。Pahlevaninezhad等將硅基超構透鏡集成到內窺鏡光學相干斷層掃描（endoscopic OCT）導管中。該光學系統(tǒng)無需復雜的組件排布，便可實現(xiàn)近衍射極限的成像。他們能夠使用該內窺鏡拍攝果肉的放大圖像，從圖像中可以很容易地分辨不同細胞，細胞壁結構清晰可見。

超構透鏡也可集成到顯微鏡上，圖13（a）給出了一種集成GaN超構透鏡的光片熒光顯微鏡（LSFM）。該超構透鏡能將入射光聚焦為光片的形式，在物鏡光軸方向上提供約5 μm分辨率的熒光圖像。當利用該超構透鏡照射被熒光標記的秀麗隱桿線蟲（C. elegans）時，能得到如圖13（a）中紅色虛線框出的熒光圖像。由于光片的軸向分辨率較高，拍攝的圖像不會受非目標切面細胞的干擾，具有較低的背景噪聲，有利于清晰地分辨不同細胞的細胞核。

圖13 超構透鏡在生物醫(yī)療成像領域的應用

Luo等提出一種能精準傳遞光能的方法。該方法利用超構表面產(chǎn)生一種特殊的光束，突然自動聚焦（AAF）光束，如圖13（b）所示。這種光束在經(jīng)過超構表面與物鏡組成的波前調制系統(tǒng)后，在傳播過程中一直呈現(xiàn)出圓環(huán)狀的強度剖面，到達焦平面以后才會突然聚焦。因為光束能實現(xiàn)突然聚焦，故可實現(xiàn)生物組織指定位置的熒光顯微分析，而不受非目標組織的影響。此外，該光束具有遞送能量的特性，還可用來實現(xiàn)激光手術。如圖13（c）左圖所示，當開始利用AAF光束照射小鼠心臟切片時，可以觀察到熒光成像及相應的熒光強度分布（藍線），在持續(xù)照射10 min以后，該熒光圖像消失，且熒光強度（紅線）幾乎降為0，這表明該AAF光束確實具有定點清除病變組織的能力。

Luo等還設計了一種可變焦的Moiré超構透鏡，該透鏡是一種具有光學切片能力的熒光顯微透鏡，如圖13（d）所示。該超構透鏡由兩片相位互補的超構表面組成，通過旋轉超構表面，改變相對角，便可實現(xiàn)532 nm波長下從10 mm到125 mm的連續(xù)變焦功能，如圖13（e）所示。當利用該系統(tǒng)對小鼠大腸組織的絨毛進行多次切片的熒光成像時，通過旋轉超構表面便能調控聚焦深度，再輔以HiLo成像算法，便可提取焦平面位置的熒光圖像。該超構透鏡還具有遠心的配置，以提高熒光成像的對比度。變焦功能也可以利用其他可調方式實現(xiàn)，She等將人造肌肉（介電彈性致動器）與超構透鏡相結合，實現(xiàn)了電可調的變焦超構透鏡系統(tǒng)。這樣的設計可以應用于全自動工作的光學顯微鏡系統(tǒng)。

結論與展望

總結了超構器件的設計流程、加工手段以及在成像上的應用。在超構器件的設計中，需要考慮所選材料的折射率、效率和色散等基本參數(shù)，以決定不同光學特性的納米結構單元所需的幾何形狀和配置。將這些結構單元存放于數(shù)據(jù)庫中，根據(jù)不同需求便可隨時取用合適的單元設計，組成功能各異的超構器件，隨后進行加工和實驗驗證。而在超構器件的加工中，應從加工精度、制造面積、制造成本、加工的時間成本、適用的材料范圍等角度進行綜合考慮，從多種工藝中選取合適的加工方法。最后介紹了超構器件在成像方面的應用。由于許多納米結構本身便具有各向異性的偏振特性，用超構表面便可以直接實現(xiàn)任意偏振的產(chǎn)生與偏振成像，而不需要復雜的多組件設計。受果蠅等動物的復眼的啟發(fā)，可以利用多個超構透鏡組成陣列，實現(xiàn)光場成像、深度探測及邊緣檢測等功能。由于超構透鏡通常具有極小的尺寸且厚度可忽略不計，即使組成陣列的形式，整體的尺寸也仍遠小于傳統(tǒng)透鏡，保證超構透鏡陣列能在實際中得到應用。此外，超構器件極佳的可設計任意功能器件的特性使其在生物醫(yī)療等領域也能占據(jù)一席之地。無論是在高分辨率的內窺鏡成像，還是具有任意波前特性的熒光顯微鏡成像中，超構器件都能發(fā)揮其作用。

超構器件盡管只有十余年的發(fā)展歷史，但其遠超傳統(tǒng)光學器件的調控能力賦予其極大的潛力，許多基于超構器件的功能與應用尚待探索。例如在成像方面，已經(jīng)出現(xiàn)了利用超構透鏡實現(xiàn)寬視場的設計，但這些設計均需要雙層結構的設計才能實現(xiàn)視場的拓寬。在未來也許能基于單層超構透鏡實現(xiàn)寬視場的設計。目前已經(jīng)有大量將超構表面用于非線性光學的研究，但大都將研究范圍局限于紅外和可見光范圍之中。在未來可以將這些研究拓展到紫外甚至極紫外波長范圍中，實現(xiàn)非線性生成、非線性全息、非線性成像等功能。通過將新的物理機制引入超構表面的設計中，如連續(xù)體中的束縛態(tài)（BIC），可以大幅提高非線性等功能的效率，并提供高靈敏度的傳感器。超構器件也可以產(chǎn)生光渦，有望用于實現(xiàn)軌道角動量復用通信系統(tǒng)。此外，超構器件也可以用于光的量子態(tài)操縱，在量子計算、量子通信等領域中展現(xiàn)出很大的潛力。

盡管目前已經(jīng)存在許多納米精度的加工技術，為滿足科學研究與商業(yè)應用的需求，實現(xiàn)以上有潛力的應用，我們還需要進一步完善現(xiàn)有技術并開發(fā)更先進的加工方法，以實現(xiàn)低成本、高產(chǎn)量、大面積、高重復性及高分辨率的制造。而在超構器件的商業(yè)化應用中，直接使用現(xiàn)有的DUV/EUV光刻技術來實現(xiàn)超構器件的制造便成為一種可行的方案。如前文所述，超構器件的加工工藝與現(xiàn)有半導體微電子制造的工藝展現(xiàn)出很強的兼容性。當需要對超構器件進行大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)時，可以利用現(xiàn)有的DUV/EUV光刻技術，在不開發(fā)新生產(chǎn)線的情況下，直接調整現(xiàn)有生產(chǎn)線，便可投入對超構器件的大規(guī)模生產(chǎn)之中，這大大降低了超構器件的生產(chǎn)門檻，有利于對超構器件的大規(guī)模推廣，從而開啟光學超構器件及平面光學領域的新時代。

審核編輯：劉清