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创世纪：镜头革命，从超构表面到超构透镜

2020-10-15 06:58

来源：澎湃新闻·澎湃号·湃客

原创长光所Light中心中国光学收录于话题#超构表面10#超构透镜8

撰稿 | 鲜辉（中科院物构所博士生）

透镜是一种基础光学元件，在日常生活中被广泛应用，例如相机、眼镜、显微镜等。传统透镜对于不同波长的光线具有不同的折射率，因此无法将各种颜色的光线聚焦到同一点上，从而产生色差，导致图像失真。

将整个可见光谱和白光聚焦是十分具有挑战性的，因为不同波长的光在材料中移动的速度是不一样的。比如，红光会比蓝光更快的穿过玻璃。当两种光在不同时间到达同一位置时，就产生了两个不同的焦点。我们称这一现象为色差。

为了解决色差的问题，传统的成像系统将多个不同厚度和材质的曲面透镜叠加在一起。再薄、再紧凑则会导致图像失真和不清晰，这也是为什么大功率显微镜和长焦镜头会由于透镜不可打破的物理规则，厂商们已经把镜头做的那么大的原因。但是，这种解决方案却是以增加系统复杂度和重量为代价的。

图源：网络

然而，一种新型透镜可以解决上述问题，这就是超构透镜metalens。超构透镜具有纳米结构的扁平表面，即超构表面metasurface，能利用纳米结构聚光让入射光投射到期望的地方。

超构透镜轻薄小巧，功能大大超越传统透镜，是一种利用纳米结构聚光进而达到避免色差出现的平面，即超构表面。

与传统透镜相比，被称为超构表面的光学纳米材料平面透镜重量大大降低。当超构表面的亚波长纳米结构形成特定的重复模式时能模拟折射光线的复杂曲率，没有传统透镜笨重，且在减少畸变的情况下聚焦光线的能力得以改善。

作为光学领域的一项革命性技术，它有望彻底颠覆传统光学系统中繁琐的透镜组，使得手机、相机、监控摄像头等产品都变得更小、更薄、更轻。

图源：Advanced Optical Materials (2017) 1700507

超构表面作为一种独特的光子技术能够以空前的规模精确操纵光的波阵面从而产生许多有趣而奇特的光学现象，激发了研究人员在平面光学领域的广泛研究兴趣。

通过光与纳米尺度排列的偏原子的局部相互作用，提供对穿过结构化平面的波前的相位，幅度和偏振态的控制。利用当前的制造技术，可以对相位，幅度和偏振态进行工程设计，从而可以对散射场进行局部控制，并模制光流以创建自然材料无法比拟的光学效果。与传统的折射光学元件相比，这项技术已显示出有望实现形式-功能关系的根本改变。

图源：Columbia University

500多年来，人类已经掌握了将玻璃做成透镜使光线发生折射，然后弯曲或组合这些透镜，使近距离和远距离图像放大以及变清晰的光学成像技术。然而在过去近十年的时间内，哈佛大学的科学家Federico Capasso【

】开创了平面光学研究领域，并在2014年首先发表了关于超构透镜的研究。

紧接着，Capasso在2016带领研究团队提出了超构透镜技术，这种表面覆盖纳米柱的新型透镜的厚度能够做到比普通镜片薄10万倍，并且拥有易生产、成本低等优势。

研究团队通过设计平面光学超构表面来取代传统透镜，并利用数百万个细微的、薄而透明的石英柱阵列来衍射和塑造光线的流动。这与玻璃透镜的方式大致相同，但却不像玻璃那样与生俱来地受"像差"的制约。

超构透镜使用纳米结构聚焦光的平坦表面，通过用简单，平坦的表面来取代目前在光学器件中广泛使用的庞大的弯曲透镜实现光学革命。该技术在被评为2016年Science的最佳发现之一。

这项技术先后在2019年被世界经济论坛（WEF）、科学美国人（SciAm）评为十大新兴技术之一。

它表明这些越来越小、越来越清晰的透镜很快就会出现在照相手机、传感器、光纤线路以及诸如内窥镜之类的医学成像设备中。世界经济论坛如此评价：“使手机、计算机以及其他电子设备使用的镜头变小，已超出了传统的玻璃切割和玻璃弯曲技术的能力……这些细微、薄而扁平的透镜可以代替现有的笨重的玻璃透镜，并可以使传感器和医学成像设备进一步小型化。”

图源：SCHOTT

接下来，让我们一起走进Capasso研究团队从超构表面到革新传统透镜的研究历程吧！

2011年 | 超构表面引领超材料研究新征程

2011年Capasso研究团队首次开创了一个全新的二维超构材料metamaterials——超构表面方向。超构材料是一类具有改变光等电磁波传播性质而传统材料无法实现的特殊性质的人造材料。以往关于超构材料的研究均专注于三维超构材料的研究，然而三维超构材料结构复杂、只调控体参数的缺点在后续研究中越发暴露不能适应现有工艺相结合的功能应用。

研究团队从率先提出的突变相位（abrupt phase shift）概念出发，推导得到了广义折反射定律（Generalized Laws of Reflectionand Refraction），打破了传统几何光学规律——斯涅尔定律，推动了人工超构材料向二维化方向发展，从而与现有的半导体工艺相兼容。

该工作奠基了超构表面一种重要的唯象模型——相位梯度与广义折反射模型，该研究提出的等离激元（plasmonic）结构——V型天线（V-antennas）用于相位调控开创了相位梯度型超构表面的研究热点。超构表面的提出真正意义上克服了以往三维超构材料的局限性，从此引领了超构表面研究的新征程。

该项成果以"Light propagation with phase discontinuities: generalized laws of reflection and refraction”为题发表在顶级期刊 science上。

图1 V型天线用于光相位调控及散射电场有限差分时域（FDTD）模拟

图源：science (2011) 334,333-337 (Fig.2, Fig. 3)

2012年 | 超构透镜：或将取代传统透镜组

图源：Harvard University

时隔不到一年，Capasso研究团队在2011年提出的一种新的光相位不连续性概念的基础上，即当光照射到亚波长散射体时，它的相位会发生突变即非连续变化。

2012年研究团队将其应用于无像差平面透镜和轴镜的设计和示范上并可实现远场衍射极限以下的聚焦和成像，该结构可提供光的相位和幅度的亚波长空间分辨率。该项创新性成果以“Aberration-Free Ultrathin Flat Lenses and Axicons at Telecom Wavelengths Based on Plasmonic Metasurfaces”为题发表在Nano Letters上。

图源：Nano Lett (2012)12, 4932−4936

研究团队利用相位不连续性径向分布的超薄亚波长间隔V型纳米天线组成的超构表面的将光进行散射，从而可以分别产生电信波长下的球形波阵面和无衍射贝塞尔光束。然后研究团队利用精确控制每个单元结构来控制光的相位，从而使光汇聚到一点，即超构表面透镜。超构透镜的特性取决于如何合理设计纳米单元的排列组合。

研究团队基于等离子超构表面设计制造并演示了两个具有厘米级焦距的平面透镜和一个角度为β= 0.5°的轴镜。即使在高数值孔径（NA）下也没有单色像差，实验结果与使用偶极模型的分析计算非常吻合。同时仿真结果也表明这种无像差设计适用于例如平面显微镜物镜等高数值孔径的透镜。

图2 平面透镜和轴镜设计制造原理以及聚焦实验和模拟仿真

图源：Nano Lett (2012) 12, 4932−4936 ( Fig.1, Fig.3 )

2016年 | 超构透镜荣登science封面

图源：Science

从显微镜、数码相机、高带宽纤维光学到激光干涉引力波天文台（LIGO）的实验室设备，透镜技术在各个尺度均取得了重要进展。

2016年哈佛大学Capasso研究团队开发了一种高效、超薄（约一个波长）、超高分辨率的超构表面透镜，可以将可见光汇聚到亚波长尺寸的光斑。

该项重大突破性工作以“Metalenses at visible wavelengths: Diffraction-limited focusing and subwavelength resolution imaging”为题并以封面的形式发表在Science上。这种超构表面透镜，有望取代手机、显微镜、照相机等镜头。

图3 超构透镜设计和制造原理

图源：science (2016) 352 (6290): 1190–1194 ( Fig.1, Fig.S1 )

亚波长分辨成像一般需要高数值孔径（NA）镜头，但这种镜头又大又贵。而超构表面允许将常规折射光学器件小型化为平面结构，因此高纵横比的二氧化钛亚表面可以被设计和制造为NA = 0.8的超构透镜。

Capasso研究团队在405、532和660nm的波长处证明了衍射极限的聚焦，相应的效率为86％，73％和66％。

超构透镜可以分辨被亚波长距离分隔的纳米级特征，并提供高达170倍的放大倍率，其图像质量可与最先进的商业目标相媲美，此外超构透镜还可以广泛应用于基于激光的显微镜、成像和光谱学。

图4 超透镜与Niko镜头可见光衍射极限对比及成像

图源：science (2016) 352 (6290): 1190–1194 ( Fig.2, Fig.4 )

同年，该技术被science评为2016年度十大重大科技突破之一。并被这样评论道：“玻璃透镜是人类最早期的高科技发明之一。它们让伽利略能够看得到木星的卫星，让列文虎克观察微生物，让数以百万计的人可以更清楚地看这个世界。但今天的透镜还在以与几个世纪之前同样的粗糙方式在生产，通过打磨和抛光玻璃以及其他透明材料使其聚光且不产生色差。现在，透镜技术正在向前迈进一大步。研究人员利用计算机芯片—模式技术制作了首批超级材料透镜或超构透镜，它们能够聚焦整个可见光光谱。因为超构透镜制造价格低廉，比纸更薄，而且比玻璃轻得多，它们将为从显微镜到虚拟设备、相机（包括智能手机的相机镜头）等领域带来一场革命。”

2018年 | 无色差超构透镜进军AR/VR领域

图源：三星 VR

虽然现代AR和VR头显设备在体积和重量上都有所减小，但由于光学技术原因又使得这项工作变得困难。头显所用的镜片需要聚焦整个可见光谱和白光，但每个光的波长不一样，于是这个问题就变得棘手。

哈佛大学研究人员John A. Paulson认为他们已经找到了解决这一难题的办法，即使用超构透镜并首次被发现能够处理整个可见光范围。

不过，在2016年时，这项技术还有一个巨大的，也是最难的挑战。那就是修正色度色散——不同波长的光集中在不同距离的镜头的现象，也就是可以将不同的光集中在一起，却可以不在一样的距离。为此，研究人员在metasurfaces的基础上，优化了纳米柱的形状、宽度、距离和高度。

研究团队使用二氧化钛创造的纳米级的平滑和高宽比纳米结构构成了该超构透镜的心脏。并以此设计了2D纳米级金属天线阵列——超构表面利用平面上无数的小光学元件达到折射的目的。

超构表面的设计让超构透镜具有了高数值孔径，这意味着它可以把光聚焦在比波长更小的地方约400nm。聚焦的光越紧密、焦点越小，图像的分辨率也就越高。在这样的尺度下，超构透镜能够提供比任何一个国家的艺术商业镜头更好的焦点。

Capasso研究团队在2018年开发出了首个可以将整个可见光谱（包括白光）以高分辨率聚焦在同一个点上的单一透镜。这在传统透镜中只能通过叠加来实现。该项突破性研究以题为“A broadband achromatic metalens for focusing and imaging in the visible”发表在Nature Nanotechnology上。

它使用了二氧化钛纳米薄膜组来平均聚焦光的波长并消除色差，用简单扁平的表面来取代目前光学器件中使用的庞大弯曲透镜势必将引发一场光学革命。

图源：Harvard University

聚焦整个可见光谱和白光（所有光谱颜色的组合）非常具有挑战性，因为每个波长都会以不同的速度穿过材料。所以两种颜色将不能同时到达相同的位置的这种差异导致了焦点不同，并产生了被称为色差的图像失真。相机和光学仪器使用了不同厚度和材料的多个曲面透镜来校正这些色差，当然这也加大了设备的体积。

图源：Harvard University

超构透镜是一个单平面透镜，相比于16年只能收集从红到蓝的可见光光谱，新的超构透镜可以将整个可见光光谱（包括白光）集中在同一位置，并在高分辨率下聚焦。这在传统的镜片上是通过堆叠多个镜片来实现的。同时，超构透镜还有一个巨大的优势。正常的镜片必须用手精确抛光，而且任何装配中发生的误差都会使透镜的性能下降。而超构透镜只需要一个单一的步骤——一层光刻就可以了。这样就简单的获得了一个高性能的镜头。

在这个设计中，研究人员建立了配对纳米膜，用来同时控制不同波长光的速度。

配对纳米膜可以控制超构表面上的折射率，同时通过将两个纳米膜结合成一个元素，来协调不同时间延迟的光线通过不同的纳米膜，确保所有波长的光同时到达焦点。他们通过使用一组二氧化钛纳米纤维来均匀聚焦不同波长的光线并消除色差，而不用像传统镜头那样需要叠加多个不同曲度和厚度的镜片才能将整个可见光光谱聚焦于一点。

图5 超透镜消色差原理及可见波段聚焦成像

图源：Nature Nanotechnology (2018)13:220–226( Fig.1, Fig.4 )

Capasso表示：“超构透镜要优于传统透镜。超构透镜较薄，易于制造且成本效益高。该突破将这些优势扩展到了整个可见光领域。这是下一个大的进展。”

该论文的第一作者Wei Ting Chen表示：“在设计无色差的宽波段透镜时，最大的挑战之一就是要确保超构透镜各点输出的波长同时到达焦点。我们通过将两个纳米薄膜结合为一个元件，这样可以调整纳米结构材料中的光速，以确保使用一个单一的超透镜就可以将可见光中的所有波长都聚焦在同一个点上，相对于复合的标准消色差透镜来说，这大大减少了透镜的厚度和设计的复杂度。”

共同作者之一Alexander Zhu说：“使用我们的消色差透镜，我们可以进行高质量的白光成像，这使我们向将它们整合到相机等常见光学设备中的目标又迈进了一步。”

相比较于传统镜片，超构透镜的优势是十分明显。它更薄，易于制造而且成本效益更高。其最佳用途自然是在头戴式设备，由于复杂的镜片设计，头戴式往往十分沉重，无法长时间佩戴，而将超构透镜应用在VR、AR等上，那将大大减轻头戴式设备的重量。

这项研究的第一作者Wei Ting Chen说：“尽管技术仍处于起步阶段，但使用变焦镜头拍摄的图像质量可能会超过传统镜头拍摄的质量。而且，由于它们的尺寸小，设计不那么复杂，因此比曲面透镜更容易批量生产。”

制造这种超构透镜的关键在于表面处理。二氧化钛薄膜阵列用于聚焦光波长，通过调整这些薄膜的高度、形状、宽度、距离以及重新配对达到控制折射率的目的。这样，就能在同一时间让所有光的波长在同一时间到达眼球。

团队下一个要迎接的巨大挑战是如何将人类眼睛能看到的全波长配对起来以及如何加大超构透镜的大小。

研究人员指出，对于后者，这种镜片直径需要达到10mm左右才行，这将引出一系列新的可能性，例如在虚拟和增强现实中的应用。哈佛大学技术开发办公室（OTD）已经保护了与这个项目有关的知识产权，并已经将这一项目授权给了一家初创公司，想必未来这种技术的商用非常可行。

2020年 | 新型超构透镜：超构表面+液晶

近日，哈佛大学Capasso教授与美国凯斯西储大学Giuseppe Strangi教授以及意大利卡拉布里亚大学的研究人员合作，将纳米结构超构表面与液晶技术结合起来，将超构透镜的研究又推进了一步——使它们变得“可重构”而更加有用，这有望革新光学技术。

Strangi表示：“他们通过利用纳米力使液晶在这些微柱之间浸润，从而使微柱以全新的方式塑造和衍射光线，“调节”聚焦力来做到这一点。”这一突破性成果于今年8月初以“Optical properties of metasurfaces infiltrated with liquid crystals”为题发表在顶级期刊PNAS上。

图源：Case Western Reserve University

液晶具备可以对其进行热、电、磁或光学等操作的优势，这样有望带来“柔性”或“可重构”的透镜。

Strangi表示：“从16世纪开始我们就知道这项技术，我们相信它有望革新光学。到目前为止，一旦玻璃透镜被塑造成刚性曲面，就只能以一种方式弯曲光线，除非与其他透镜组合或者通过物理方式移动它。”

超构透镜改变了这一点，因为它允许通过控制光线的相位、幅度和偏振来设计波阵面。

然而，大多数工程化的超构表面具有规定的几何形状，该几何形状已设计成可实现单个功能即没有可修改的光学响应，缺乏对其光学特性的动态控制，并且限于无源光学元件。这对可能需要不同光学响应的潜在应用构成了障碍。通过施加外部刺激来实现光学材料可重构性的机会一直是光子学的长期目标。

第一作者Lininger表示：“超构表面目前应用所面临的一部分问题是，它们的形状在生产环节就已经固定，但是“通过实现超构表面的可重构性，可以突破这些限制。””

近年来，已经进行了许多尝试来设计可重配置系统，包括机械方法、热方法和基于外部电压的方法。

Giuseppe Strangi 在观察超透镜阵列

图源：Case Western Reserve University

研究人员通过控制液晶liquid crystals(LCs)，让这些新型超构透镜向着新的科技方向发展，以产生可重构的结构光。LCs在外部刺激（例如电场、磁场、温度、应变等）下会经历导致LCs折射率变化的分子重新定向从而表现出刺激响应。

该研究采用传统的夹层LC单元制造可重构光学器件，其中两块板之一涂有超表面。与涉及体积较大的LC单元的这些实现相反，这项工作中利用金属元素的润湿特性，以光学活性双折射和粘弹性LCs代替平面纳米结构之间的空气。

这种实现方式允许控制金属层中的相位和幅度分布，从而限制了铺设在超构表面上方的厚LCs平板不可避免的光学变化。通过利用浸润的LCs光学特性，可以显著改变透射场，并进一步控制。

如图6所示，团队发现了向列型液晶在纳米结构二氧化硅金属平面的非平凡浸润。他们通过利用纳米力使液晶在这些微柱之间浸润，从而使微柱以全新的方式塑造和衍射光线，即通过“调节”聚焦力来做到这一点。

图6 金属超表面液晶浸润现象

图源：PNAS (2020) 117:34, 20390-20396 (Fig.1, Fig. 2)

进一步地，研究团队证明了浸润后金属元素光学响应的可测量变化。由于可以通过外部刺激来控制液晶的依赖于取向的光学特性，因此该技术可以潜在地实现金属元素光学响应的动态控制（图7）。

图7 液晶浸润超表面实验和评估

图源：PNAS (2020) 117:34, 20390-20396 (Fig.2, Fig. S1 )

最后，研究团队利用超构表面的润湿特性，使纳米柱状平面超构表面被各种向列液晶（NLC）浸润。这种浸润是通过竞争力的组合来解释的，即毛细管力和阻力流体动力。由于LC是一种双折射复杂流体，因此超表面的润湿会引起局部和全局顺序的折射率图改变，进而改变透射电磁场的相位和幅度。

作者利用具有不同折射率和双折射的三种向列型液晶实现了纳米结构金属表面的非平凡浸润。观察到每种液晶浸润后金属离子聚焦的显着变化。这些光学变化是由于浸润后围绕金属结构的局部折射率的改变而引起的。同时分析结果证实了光学实验与有限差分时域求解（FDTD）仿真结果的定性一致性（图8）。

图8 超表面液晶浸润光学性质和模拟分析

图源：PNAS (2020) 117:34,20390-20396 (Fig.3, Fig. 5)

研究团队通过利用液晶浸润的超构表面并与方向有关的折射率的固有可调谐性相结合，证明了金属系统在超构表面中实现动态可重构性的巨大潜力。

上述这些结果证实了结合浸润的金属元素的焦点FWHM的增加和Strehl比的降低，焦点距离的增加证明了通过浸润不同有效折射率的LC可以显着改变光学性能。充分表明浸润过程中和浸润后对LC取向状态的控制对于超构表面的光学可重构性至关重要。LCs作为浸润液体的主要优势是完善的对准和取向控制方法。其中包括传统的电压和光场偏置方法，以及专为动态光对准设计的化学表面处理。这些有望成为将来在金属系统中提供可重构光学特性的方法。

Strangi表示：“这只是第一步，然而使用这些透镜有很多的可能性。我们已经在联络对这项技术感兴趣的公司。”

Capasso将用液晶浸润超透镜的创意归功于 Strangi，并表示这项创新代表朝着更伟大的目标迈出了一步。Capasso 表示：“我们用液晶可再生产地浸润最先进的超构透镜（由一亿五千万个纳米级直径的玻璃柱制成）以及显著改变其聚焦特性的能力，预示着我所期待的振奋人心的科技未来将从可重构的平面光学中产生。”

通过元透镜的光线被数百万纳米结构所聚焦

图源：Capasso实验室

纵观Capasso研究团队关于超构表面到超构透镜的研究征程，不难想象其中的坎坷与艰辛，但正是怀着一颗为人类为社会造福的心，秉承孜孜以求的科研态度才让这十年的时间过得如此多彩，苦并快乐着。

当然，活跃在超构表面研究领域的还包括但不限于加州理工Faraon教授团队、伯明翰大学张霜教授团队、凯斯西储大学Giuseppe Strangi教授团队、美国西北大学Teri W. Odom教授团队、哥伦比亚大学 Nanfang Yu 教授团队、蔡定平教授团队、南京大学祝世宁院士团队以及复旦大学周磊教授团队等都做出了十分重要的成果。感兴趣的读者可以移步品鉴。让我们循着这些学术大咖的步伐，朝着光明而神圣的方向迈进，共同进步！

参考文献

[1]"Light propagation with phase discontinuities: generalized laws of reflection and refraction." Science, 2011, 334.6054:333-337.

[2]"Aberration-free ultra-thin flat lenses and axicons at telecom wavelengths based on plasmonic metasurfaces." Nano Letters, 2012, 12(9):4932.

[3]"Metalenses at visible wavelengths: Diffraction-limited focusing and subwavelength resolution imaging." Science, 2016, 352.6290:1190-1194.

[4]"A broadband achromatic metalens for focusing and imaging in the visible." Nature Nanotechnology, 2018, 13:220-226.

[5]"Optical properties of metasurfaces infiltrated with liquid crystals." PNAS, 2020, 117(34):20390-20396.

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