泉源：
2025.01.08
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小序
自21世纪初 ，随着纳米科技的飞速生长 ，科学家们最先探索一种全新的光学操控要领 。超透镜（Metalens）手艺 ，使用亚波长标准的微纳结构来控制光线撒播 ，具备奇异的平面结构和卓越的光学性能 ，不但极大地减小了光学系统的体积和重量 ，并且为光学成像带来了亘古未有的可能性 。
基本看法和事情原理
超透镜 ，是一种超薄的人工结构 ，它通过在二维平面上有序排列的纳米天线阵列 ，对光波举行调制 。这些纳米天线能够对入射光波举行相位延迟、振幅调制和偏振转换 ，从而实现光束的聚焦、整形和定向撒播 。超透镜手艺的提出 ，不但极大地推进了光学器件的微型化和集成化 ，也为光学系统的设计带来了亘古未有的无邪性和立异空间 。
图1 超透镜示意图
超透镜的事情原理基于广义斯涅耳定律[1] ，它允许在极小的标准内调解光学波前的相位和振幅 。与古板透镜依赖于介质的厚度转变来改变光波前差别 ，超透镜通过单位结构的几何转变在撒播路径中引入特定相位来实现光波的准确控制 。
图2 广义斯涅尔定律原理推导图
(a)正常介质光路撒播
(b)超质料中光路撒播
式（1）是古板斯涅尔定律 ，式（2）是广义斯涅尔定律 ，其中ni和nt划分为两种介质的折射率 ，θi和θt划分为入射角和折射角 ，dΦ/dx为超外貌引入的相位梯度 ，k0=2π/λ为入射光的波矢 。比照两个公式可以发明 ，当波长、入射角、分界面双方的折射率牢靠时 ，通过超外貌单位结构引入差别相位梯度 ，即可改变光线的折射角 ，实现光线的恣意调制 。
应用领域
1、实时偏振成像
实时偏振成像手艺可以同时形成多幅偏振区分图像 ，从而展现出古板成像中一次拍摄无法显示的信息 。用于实时偏振成像的古板光学装置涉及焦平面系统的多个组件 ，包括分束器、偏振器、波片、级联透镜和多个探测器[2] 。偏振成像主要依赖差别偏振光的聚焦 ，从差别偏振态中提取入射光场的偏振信息 ，超透镜拥有自由调控出射光场偏振态的能力 ，因此可以作为偏振成像系统的焦点器件 。
图3 基于超透镜的实时偏振成像系统
2、一连变焦成像
一连变焦成像是近两年手机成像功效中的一个亮点 ，古板变焦成像通常是通过多个透镜的纵向运动来实现的 ，重大的透镜套件使到手机镜头越来越厚；型提出的液态镜头可以用于变焦成像的切换 ，但其需要改变镜头的形貌 ，结构不稳固 ，性能较低 �；诔妇档囊涣浣瓜低秤邢Ｍ梢杂糜谑只认牡缱硬分� ，作为一连变焦镜头的焦点组件[3] 。
3、三维成像
近年来人脸识别、车载距离探测等商用化应用对三维成像和深度成像需求重大 ，同时在AR/VR等领域的交互同样需要高精度高集成度的三维成像系统 。相较于通例的结构光和TOF计划 ，超透镜具有多维参数调控和小型集成的优势 ，一方面其可以取代古板计划中用于准直、衍射或者扩散的单个光学元器件 ，减小模组体积；一方面还可以实现多功效集成 ，团结盘算成像或者偏振调控等手艺 ，实现单个元件的深度探测功效 。相比TOF等计划可以使用更普遍的应用场景 ，并且高集成度可以嵌入多种消耗电子产品中 ，具有辽阔的应用潜力[4] 。
图5 基于超透镜的三维成像系统
4、AR/VR显示
随着元宇宙的兴起 ，以三维显示、盘算机交互手艺等为焦点的虚拟现实（virtual reality, VR）一直是学术界和工业界的研究热门 � Ｋ剂康接没Ф訟R显示装备陶醉感和恬静度的需求 ，怎样减小显示系统的体积和重量 ，成为当下AR显示手艺面临的最大挑战 。超透镜的紧凑形状、高区分率和波前调制无邪性 ，使其更容易集成于接纳新型三维显示手艺的AR显示系统中 ，在解决上述VR/AR难题方面展现出重大的潜力[5] 。
图6 基于超透镜的AR显示系统
制备要领
超透镜一样平常由高折射率的纳米单位结构组成 ，其制备要领基于半导体工艺延伸而来 ，主要包括光刻、刻蚀手艺 ，常用的光刻手艺主要包括以下几种：
1、基于光刻手艺（ArF/KrF）
光刻手艺团结曝光和刻蚀工艺 ，在基板上形成微米和纳米级图形层 。适用于半导体和微电子制造、光学等领域 ，但受限于装备本钱高、使用情形要求高、合适的质料有限等 。
2、电子束光刻（EBL）
使用电子束直接在笼罩有抗蚀剂的外貌上写入设计图案 。具有超高区分率 ，无需光刻掩膜板 ，能够制作几十纳米的小尺寸结构 ，但曝光速率慢 ，制备本钱高 ，适用于制作光学投影光刻模板、设计验证新光刻手艺、实验研究、原型验证等方面 。
3、飞秒激光直写光刻(DLW)
飞秒激光束聚焦在感光质料内部 ，通过光引发剂引发聚合反应 ，形成微/纳米结构 。具有高精度、高无邪性和真三维加工特征 ，适用于制造恣意形状的细密3D微结构 ，对加工结构的最小尺寸由一定限制 。
4、纳米压印手艺（NIL）
将具有纳米级尺寸图案的模板通过压印复制图案到高分子质料衬底上 。本钱低、工期短、产量高、区分率高 ，适用于加工聚合物结构 。纳米压印手艺在有足够精度的掩膜版提供的条件下 ，是一种适合量产的光刻工艺 。
图7 超透镜制备工艺 图8 超透镜微结构图片 以上制备要领各有优势和局限 ，选择合适的要领需要凭证超透镜的详细应用需求、本钱预算和制造条件来决议 。
手艺挑战及未来展望
只管超透镜手艺远景辽阔 ，但它在现实应用中仍面临一些挑战 ，如下：
1、本钱问题
超透镜的制造成内情对较高 ，尤其是在需要细密加工的大面积应用中 ，本钱控制是一个主要挑战 。
2、色散问题
超透镜作为衍射型光学元件 ，保存色散问题 ，这限制了其在全彩色成像等应用中的性能 。
3、制造工艺
超透镜的制造工艺需要抵达纳米级别的精度 ，这对现有的工业加工手艺提出了更高的要求 。
4、效率提升
提高明透镜的光学效率 ，尤其是在宽波段事情时 ，是目今研究的重点之一 。
随着质料科学和纳米制造手艺的前进 ，通过在质料、结构、工艺等方面举行立异 ，上述的手艺挑战终将会迎来解决步伐 。未来 ，我们有望看到超透镜在更多领域的立异应用 ，包括但不限于光学通讯、量子盘算和生物医学成像 。
结语
超透镜手艺的生长 ，不但是光学领域的一次手艺奔腾 ，也是对古板光学设计理念的一次深刻厘革 。随着研究的深入和手艺的成熟 ，超透镜有望成为推动光学系统向更高性能、更小尺寸和更广应用规模生长的要害手艺 。
通过这篇文章 ，希望能够向公众普及超透镜手艺的基本知识 ，展示其在光学领域的应用潜力 ，以及对未来科技生长的主要意义；也希望能够和更多的同伴睁开相关相助 ，推动相关手艺的快速生长 。
参考文献
1、Yu, N. et al. (2011) ‘Light propagation with phase discontinuities: Generalized laws of reflection and refraction’, Science, 334(6054), pp. 333–337.
2、Sattar, S. et al. Review of spectral and polarization imaging systems. Proceedings of SPIE 11351, Unconventional Optical Imaging II. SPIE, 113511Q (SPIE, 2020).
3、Wei, S. B. et al. A varifocal graphene metalens for broadband zoom imaging covering the entire visible region. ACS Nano 15, 4769–4776 (2021).
4、Ni, Y. et al.‘Metasurface for structured light projection over 120° field of view’, Nano Letters, 20(9), pp. 6719–6724 (2020).
5、Yan Li.et al. Ultracompact multifunctional metalens visor for augmented reality displays. PhotoniX,3, 29 (2022).
小序
基本看法和事情原理
应用领域
制备要领
手艺挑战及未来展望
结语
参考文献
微纳研究所
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