序文

自21世纪初，跟着纳米科技的马上发展，科学家们运转探索一种全新的光学操控法子。超透镜（Metalens）技能，诈欺亚波长轨范的微纳结构来逼迫色泽传播，具备专有的平面结构和超卓的光学性能，不仅极地面减小了光学系统的体积和分量，何况为光学成像带来了前所未有的可能性。

基本观念和职责旨趣

超透镜，是一种超薄的东说念主工结构，它通过在二维平面上有序陈设的纳米天线阵列，对光波进行调制。这些纳米天线大要对入射光波进行相位延迟、振幅调制和偏振诊疗，从而竣事光束的聚焦、整形和定向传播。超透镜技能的冷落，不仅极地面股东了光学器件的微型化和集成化，也为光学系统的联想带来了前所未有的活泼性和创新空间。

超透镜的职责旨趣基于广义斯涅耳定律[1]，它允许在极小的轨范内调整光学波前的相位和振幅。与传统透镜依赖于介质的厚度变化来改造光波前不同，超透镜通过单位结构的几何变化在传播旅途中引入特定相位来竣事光波的精确逼迫。

(a)平日介质光路传播

(b)超材料中光路传播

式（1）是传统斯涅尔定律，式（2）是广义斯涅尔定律，其中ni和nt分辩为两种介质的折射率，θi和θt分辩为入射角和折射角，dΦ/dx为超名义引入的相位梯度，k0=2π/λ为入射光的波矢。对比两个公式不错发现，当波长、入射角、分界面双方的折射率固定时，通过超名义单位结构引入不同相位梯度，即可改造色泽的折射角，竣事色泽的任性调制。

应用规模

1、及时偏振成像

及时偏振成像技能不错同期形成多幅偏振分辨图像，从而揭示出传统成像中一次拍摄无法显现的信息。用于及时偏振成像的传统光学安装触及焦平面系统的多个组件，包括分束器、偏振器、波片、级联透镜和多个探伤器[2]。偏振成像主要依赖不同偏振光的聚焦，从不同偏振态中提真金不怕火入射光场的偏振信息，超透镜领有解放调控出射光场偏振态的才气，因此不错算作偏振成像系统的中枢器件。

2、纠合变焦成像

纠合变焦成像是近两年手机成像功能中的一个亮点，传统变焦成像频频是通过多个透镜的纵向畅通来竣事的，复杂的透镜套件使到手机镜头越来越厚；型冷落的液态镜头不错用于变焦成像的切换，但其需要改造镜头的描摹，结构不褂讪，性能较低。基于超透镜的纠合变焦系统有但愿不错用于手机等消耗电子家具中，算作纠合变焦镜头的中枢组件[3]。

3、三维成像

连年来东说念主脸识别、车载距离探伤等商用化应用对三维成像和深度成像需求繁密，同期在AR/VR等规模的交互雷同需要高精度高集成度的三维成像系统。相较于老例的结构光和TOF决策，超透镜具有多维参数调控和袖珍集成的上风，一方面其不错取代传统决策顶用于准直、衍射或者扩散的单个光学元器件，减小模组体积；一方面还不错竣事多功能集成，结总贪图成像或者偏振调控等技能，竣事单个元件的深度探伤功能。比较TOF等决策不错使用更庸碌的应用场景，何况高集成度不错镶嵌多种消耗电子家具中，具有繁密的应用后劲[4]。

4、AR/VR显现

跟着元天地的兴起，以三维显现、贪图机交互技能等为中枢的诬捏现实（virtual reality, VR）一直是学术界和产业界的筹议热门。琢磨到用户对AR显现诞生千里浸感和舒限度的需求，若何减小显现系统的体积和分量，成为当下AR显现技能面对的最大挑战。超透镜的紧凑外形、高分辨率和波前调制活泼性，使其更容易集成于采选新式三维显现技能的AR显现系统中，在科罚上述VR/AR困难方面展现出繁密的后劲[5]。

制备法子

超透镜一般由高折射率的纳米单位结构构成，其制备法子基于半导体工艺蔓延而来，主要包含光刻、刻蚀技能，常用的光刻技能主要包含以下几种：

1、基于光刻技能（ArF/KrF）

光刻技能勾通曝光和刻蚀工艺，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、光学等规模，但受限于诞生资本高、使用环境要求高、合适的材料有限等。

2、电子束光刻（EBL）

诈欺电子束成功在掩盖有抗蚀剂的名义上写入联想图案。具有超高分辨率，无需光刻掩膜板，大要制作几十纳米的小尺寸结构，但曝光速率慢，制备资本高，适用于制作光学投影光刻模板、联想考据新光刻技能、实验筹议、原型考据等方面。

3、飞秒激光直写光刻(DLW)

飞秒激光束聚焦在感光材料里面，通过光激励剂激励团员响应，形成微/纳米结构。具有高精度、高活泼性和真三维加工特色，适用于制造任性表情的精密3D微结构，对加工结构的最小尺寸由一定甘休。

4、纳米压印技能（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材料衬底上。资本低、工期短、产量高、分辨率高，适用于加工团员物结构。纳米压印技能在有填塞精度的掩膜版提供的前提下，是一种合乎量产的光刻工艺。

以上制备法子各有上风和局限，聘用合适的法子需要笔据超透镜的具体应用需求、资本预算和制造条目来决定。

技能挑战及将来瞻望

尽管超透镜技能远景繁密，但它在实验应用中仍面对一些挑战，如下：

1、资本问题

超透镜的制变资本相对较高，尤其是在需要精密加工的大面积应用中，资本逼迫是一个紧迫挑战。

2、色散问题

超透镜算作衍射型光学元件，存在色散问题，这甘休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达到纳米级别的精度，这对现存的工业加工技能冷落了更高的要求。

4、后果普及

提精湛透镜的光学后果，尤其是在宽波段职责时，是面前筹议的重心之一。

跟着材料科学和纳米制造技能的跳跃，通过在材料、结构、工艺等方面进行创新，上述的技能挑战终将会迎来科罚主义。将来，咱们有望看到超透镜在更多规模的创新应用，包括但不限于光学通讯、量子贪图和生物医学成像。

 结语 

超透镜技能的发展，不仅是光学规模的一次技能飞跃，亦然对传统光学联想理念的一次潜入变革。跟着筹议的深入和技能的进修，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鸿沟发展的关节技能。

通过这篇著述，但愿大要向公众普及超透镜技能的基本常识，展示其在光学规模的应用后劲，以及对将来科技发展的紧迫酷爱酷爱酷爱酷爱；也但愿大要和更多的伙伴张开关斡旋作，推动关连技能的快速发展。

参考文件

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).

微纳筹议所

水晶光电微纳筹议所，专注于微纳光学新家具市集技能调研及研发职责。通过自编算法与联想，配备同业业高端诞生，具备芯片镀膜、晶圆光刻、干/湿法刻蚀、纳米压印等中枢技能开荒和量产才气。现在微纳所已开荒的家具包括DOE、扩散片、PBS偏振片、超透镜等，庸碌应用于消耗电子、车载HUD等规模，不错笔据客户需求提供从家具联想开荒到量产制造一站式管事。

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（转自：水晶光电）