超表面透镜介绍（metalenses）丨设计原则、应用及加工方法

什么是超透镜？

超透镜（Metalenses）又称超构透镜。是一种二维平面透镜结构，是由超表面（具有亚波长厚度的平面二维 (2D) 超材料）聚焦光的光学元件制成。被誉为2019年十大新兴技术之一。

超透镜拥有体积更薄、重量更轻、成本更低、成像更好、更易集成的优点，为紧凑集成的光学系统提供了潜在的解决方案。并且可通过调整结构的形状、旋转方向、高度等参数实现对光的偏振、相位和振幅等属性进行调控。

超透镜的设计原则及相位调控方式

超透镜的设计原则是基于超表面的两个特殊特征：超表面相位分布的选择和纳米尺度结构的几何设计。可以通过几何结构的设计和制造来实现对光波特性（包括相位、幅度和偏振）的控制，调整亚波长结构的轮廓、位置和角度，从而控制超透镜的聚焦和成像特性。

超透镜有三种基本相位调控方法：

共振相位调控、传播相位调控、几何相位调控（又称 PB 相位调控）。

共振相位调控是通过改变共振频率来实现相位突变，共振频率由纳米级结构的几何形状控制。但因为共振相位超表面通常由金、银、铝等金属材料制成，不可避免引起欧姆损耗，难以实现高效率的光场调控。而由低损耗的介质材料制成的超表面透镜可有效解决此问题。

传播相位是由于电磁波在传播的过程中会产生光程差，利用这一特性可实现对相位的调控。相位调控（φ）由光程差调节，其中波长为 λ ，介质的有效折射率为 n ，电磁波在均匀介质中传播距离d（结构的高度），其中k0=2π/λ 为自由空间波矢，则电磁波积累的传播相位可以表示为：

在微纳米结构高度固定时，可通过微纳米结构的形状、尺寸和结构单元周期等进行调节基于传播相位原理设计的超透镜，通常由各向同性的微纳米结构构成，具有高度对称的特点。因此赋有超透镜偏振不敏感性，即微纳米结构的相位响应与入射光的偏振类型无关，适用于大多数应用场景。

几何相位是一种通过调整具有相同尺寸微纳结构的旋转角度，实现光波的相位突变，从而实现对相位梯度或分布的人工控制，因此极大地降低了设计和加工超表面的复杂性。几何相位调控的优点在于它并不受材料色散、结构尺寸以及结构共振的影响。

为了实现聚焦透镜功能，使所有光线达到同一个焦点，平面超透镜的相位应该满足：

其中λ为波长，f 为焦距，x和y是相对于超透镜中心的空间坐标。可以算出每个位置对应的相位，通过超表面实现这样的相位分布设计超透镜。

晶胞旋转角 θ 应满足方程

前面分别介绍了三种超构表面的基本相位调控原理，然而，任何单独的相位调制都无法实现消色差成像或全彩色成像。在实际应用中，制作超透镜时通常会混合两种或以上的原理实现相位调控。

超透镜的研究现状及应用

高数值孔径 (NA) 超透镜

超透镜的聚焦效率是成像和传感应用的关键。通过抑制 1) 由具有波长尺度尺寸的结构引起的散射，2) 由阻抗失配引起的反射，以及 3) 由材料损耗引起的材料吸收，可以提高超透镜的聚焦效率。共振、几何和传播相位机制可用于增强聚焦性能。

消色差超透镜 (AML)

超透镜作为一种衍射光学器件，与其它衍射透镜一样，其自身也存在着严重的色差。尽管这类透镜能够在较宽的光学波段工作，然而色差的存在严重限制了在光学聚焦和成像当中的应用。特别是对于光学超分辨平面超构透镜，如何在实现超分辨点光学扩散的同时，消除平面超构透镜的色差还面临着诸多挑战。

多波长消色差超透镜，基于低损耗耦合矩形介电谐振器的超透镜
宽带消色差超透镜：不同超透镜的构建模块和强度分布
窄带消色差超透镜

多焦点超透镜

具有多个焦点的聚焦透镜是重要的光学元件。在多光谱相机中，使用多个镜头来实现多点聚焦，导致设备体积大、重量大、成本高。超表面通过专门的设计可以有效解决这个问题，可以简化光学系统的结构，具有薄型化、小型化和高集成度等特点。

超透镜加工方法

基于光刻技术

光刻是一种结合了曝光和刻蚀的工艺。将带有设计图案的掩模放置在涂有光刻胶的基板上。在特定光源的照射下，光刻胶被化学改性。在显影和刻蚀之后，在基板上形成微米和纳米级的图形层。光刻工艺一般包括基板加工、基板涂布、旋转光刻胶涂布、软干、曝光、显影、硬干、蚀刻和测试。

光刻技术具有高分辨率，可以精确控制形成图案的形状和尺寸。它在半导体和微电子制造、光学、生物学、超材料等方面有着广泛的应用。但其应用受限于设备成本高、使用环境要求高、合适的材料有限等。

电子束光刻（EBL）

利用电子束，通过改变抗蚀剂的溶解度，直接在覆盖有抗蚀剂的表面上写入设计图案。电子束光刻技术是目前已知分辨率最高的光刻技术，分辨率已经到达了10nm以下。具有超高分辨率以及无需光刻掩膜板的优点，其缺点有：1、高精度地对准套刻進以实 2、效率较低，难以应用大规模大批量生产 3、曝光速度较慢。因此此技术多应用于制作光学投影光刻模板、设计验证新光刻技术、实验研究、原型验证等方面。

飞秒激光直写光刻

飞秒激光直写光刻，也称为双光子光刻或双光子聚合（TPP），是指飞秒激光束聚焦在感光材料内部，通过光引发剂，引发聚合反应，通过控制激光焦点的移动形成微/纳米结构。飞秒激光具有高精度、高灵活性和真三维加工等特性，可以制造任意形状的精密3D微结构且无需光学掩膜，目前最小的特征尺寸可以达到10 nm。