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超构表面：让光学镜头薄如蝉翼

2020-07-18 11:37

来源：澎湃新闻·澎湃号·湃客

原创长光所Light中心中国光学

推广位（非商务）

撰稿 | WHO HOW

背景介绍

众所周知，光线通过小孔之后，可以在另一端的光屏上成像。通过这个原理，人们发明了很多有趣的技术。比较典型的是欧洲文艺复兴时期的暗箱技术：

艺术家们制造出一个密闭的暗箱，仅从一个小孔透光。用画布接受透射光的像，这样仅需要描摹画布上的影像，就可以准确地画出风景和人物。

但是这种技术有一个限制，即小孔越小成像越清晰，但暗箱内越暗。而小孔越大则暗箱内越明亮，但成像模糊。后来，人们在小孔处加装了一块凸透镜，凸透镜使光线会聚，这样可以得到更加清晰明亮的影像。随着科技的进步，人们发现了感光材料。将涂有感光材料的平板挂在透镜的成像处曝光一段时间，就可以把影像记录下来，这便是最早的照相机。

为了获得更好更清晰的成像，科学家和工程师们开始研制性能更加优良的透镜。最开始的镜头结构非常简单：如下图，是1812年英国物理学家Wollaston发明的1组1片镜片结构。

下图是1821年，法国著名的镜头制造商谢瓦利埃（Chevrlier）发明的1组2片镜片结构，这种镜头可以用来消弭单片镜头带来的色差。

下图是1840年，奥地利数学家匹兹伐教授用数学方法设计出3组4片的镜头，保证了影像中心的高分辨，很好地矫正了球差和彗差。

为了追求更加完美的成像，人们不断尝试新的透镜并设计出各种新的透镜组合。下图是一些典型的透镜组合。

然而每一次提升镜头的性能，都会增加镜头的复杂程度。

图片来源：apple

如上图是常见的手机镜头的镜头组合。由六片特制的透镜和接收器组成。而事实上专业级的相机和特种相机的镜头要更为复杂。

之所以镜头的结构越来越复杂，主要原因是人们的要求越来越高，比如高透光率，合适的光圈，有效地控制像差等。

而将视线拉高，俯瞰整个光学领域的时候，人们发现不仅仅是光学镜头领域，几乎是在同一时期的各个光学领域内，人们都迫切地需要一种简便、高效、能够按照使用者的意愿来调控光波的光学材料。

而人们现有的光学器件，无论是透镜、反射镜、还是偏振器等，都是由天然存在的材料制成的。由于这些材料的介电常数变化范围非常有限，所以传统的光学器件通常需要庞大的尺寸和扭曲的形状以及复杂的组合才能勉强满足使用者的需要。况且，天然材料通常缺乏磁响应而导致阻抗不匹配，因此工作效率往往较低。

随着科技尤其是纳米技术的进步，人们可以在原子层面上操纵材料。这为新型光学材料的发展带来了曙光。1999年，由美国德州大学的Rodger M. Walser教授提出了超构材料的概念（metamaterial）指代人工制造，周期性的三维复合材料。这类由具有特定电磁特性的亚波长人工微结构（人工原子）按一定的排列方式构建而成的三维人工复合材料，展现出了对电磁波的强大调控能力，实现了自然材料无法企及的众多奇异物理现象和功能性器件，通过仔细的结构调整，metamaterial原则上可以设计出任意介电常数ε和磁导率μ，因此产生了许多自然存在的材料无法实现的波操纵效果。

虽然超构材料已经取得了辉煌的成果，但是人们并没有就此心满意足。在研究人员看来，超材料作为一种3D结构，还是过于复杂和厚重。光学材料应该还可以更薄，更高效。于是，超构表面的概念应运而生。简单来说，超构表面可以看作是3D超材料的2D版本，它是由平面亚原子构造而成的，这些原子以特定的顺序有目的地选择电磁响应。在工作原理上，超构表面与超构材料截然不同。通常3D 超构材料会通过操纵大体积介质内部的传播相位来实现某些波控制,但超构表面在很大程度上利用结构表面上的突变相变来传输或反射波。

由于要在纳米尺度上操纵材料的微结构，所以现有的超构表面制作过程通常耗时冗长且价格昂贵。研究人员们为了提高超构表面的性能同时降低成本，展开了很多研究。

研究内容

接下来我们要介绍的相位梯度超构表面，是众多超构表面材料中的一种，其作用是通过设计单元结构的属性和空间排列，来实现对任意入射光和反射光相位分布。这种超构表面可以取代诸如透镜、全息图、分束器、曲面镜等大多数常见的光学元件。甚至在某些方面，其性能会大大超过以上传统光学元件。

该研究来自查尔姆斯理工大学，他们提出一种利用电子束抗蚀剂制作相位梯度超构表面的简便方法，并利用该方法制备出了作用在可见光范围内的高性能平面光学元件。该方法大大减少了所需的处理时间和成本，并减少了安全隐患。相关研究发表在 ACS Photonics 。

该研究所展示的超构材料结构如下图：

图1: 扫描电子显微镜下的超构表面的侧视与俯视图

图片来源：ACS Photonics 2020, 7, 4, 885–892(Fig.2)

这种超构表面利用了单个纳米鳍片形状双折射的性质，使其充当亚波长半波片的功能。入射的圆偏振光可以翻转成相反的手性。通过改变每个鳍片相对于晶格的夹角可以对交叉极化的透射或反射波施加空间变化的相位分布。假设与选择的操作波长相比，晶格常数小，并且偏振转换效率高，这意味着原则上可以将超构表面设计为仅通过选择方向来赋予任意相位轮廓。

2.1

制备

本项研究的实验步骤相当简单，仅需要最简单的单次电子束曝光即可完成，甚至试验中并不涉及到通常的电子束光刻中需要的金属沉积和刻蚀等步骤。

图3：抗蚀剂超构表面制作过程与成品

图片来源：ACS Photonics 2020, 7, 4, 885–892(Fig.1)

2.2

表征

如下图所示是针对蓝，绿和红光优化的超构表面的模拟和实验偏振转换效率光谱：

图4：超构表面偏振转换效率模拟（左）与实验（右）结果对比

图片来源：ACS Photonics 2020, 7, 4, 885–892(Fig.2)

实验和理论都表明，该超构表面在选定的设计波长范围内有较宽的工作范围，尽管由纳米鳍片层内的衍射耦合引起的晶格模式会引起相当大的光谱效率波动。然而，仿真结果显示，相对于纳米鳍取向和均相覆盖率，传输效率几乎与超构表面取向无关。

2.3

应用

为了验证这种抗蚀剂超构表面的应用潜力，研究人员利用该超构表面实现了各种平正透镜的功能：

图5：抗蚀剂超构表面用于聚焦和成像效果图

图片来源：ACS Photonics 2020, 7, 4, 885–892(Fig.3)

针对蓝光，绿光和红光使用同样的纳米鳍片设计了不同焦距的透镜。上图a展示了相位梯度超构表面的微结构。图b展示了其聚焦能力。图c表明通过该超构表面的光沿光轴的强度分布显示出高斯强度分布。图d验证了金属传感器的极化转换效率与相应的相位梯度超构表面的结果相当。图e是该技术制备的直径为1 cm的平面透镜，该超构表面透镜上包含了超过6亿个微结构单元，但是由于制造方法的简便性，整个制造过程仅用时一个下午。图f展示了超构表面透镜的成像能力，将待测物体放置在成像系统的物平面上（左），用超构表面透镜充当显微镜物镜，通过漫射的圆偏振光对物体进行背光照明，并将像投射到屏幕上（右）。如图所示，生成的图像非常清晰。

结论与展望

随着人类对光学材料越来越严苛的要求和更多元的使用环境，自然界现存的材料已经不足以满足我们的需求。因此，超构材料的发展将是一个不可避免的大趋势。不可否认，目前超构表面还是一个很年轻的科学领域，存在着很多不足之处。但随着科研人员的努力，更多性能优良成本低廉的超构材料将会彻底改变人类的生活。

正如该研究表明，可以使用现成的电子束抗蚀剂作为唯一的构成材料来构建光学超构表面。避免了通常在构建相位梯度超构表面时所涉及的大部分耗时，昂贵且有时有害的加工步骤。产生的超构表面是有效的（偏振转换> 50％），并且在整个可见波长光谱中起作用。

此外，该超构表面随时间稳定，可以放置在自然环境条件下至少六个月而没有任何明显的降解。关于稳定性，抗蚀剂超构表面可承受的温度高达100°C，并且可以承受较高的光强。在超构表面上涂一层薄的（<10 nm）保形保护涂层可以改善其热稳定性并稍微增加与周围环境的折射率对比。

最后，这里使用的抗蚀剂也可以通过紫外线光刻法曝光。先进的深紫外光刻系统通常会曝光的图案要比此处的EBL所曝光的图案小得多，使用UV光刻技术来构建大规模的基于聚合物的超构表面，可以进一步减少了处理时间，使得平面光学组件与传统大体积光学组件的竞争中取得更大的优势。

可以想象，用电子束抗蚀剂制备出的超构材料可以在很大程度上取代传统的透镜，那么，可以预期，用这种薄如蝉翼的超构表面材料取代复杂昂贵的镜头指日可待。

文章信息：

该研究成果以" Large-Scale Metasurfaces Made by an Exposed Resist "为题在线发表在 ACS Photonics 。

论文全文下载地址：

https://doi.org/10.1021/acsphotonics.9b01809

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