陈昇祐，Whoscored中文官网
摘要
超构透镜是一种利用纳米结构操控光线的方式实现传统光学难以实现的功能的响应表面光学组件。关于超构透镜是否比另一种平面光学组件衍射镜有优势，存在争议。本文总结了Engelberg和Levy的一篇研究论文，讨论了超构透镜的相对优势。文章涵盖了超构透镜与衍射镜的工作原理、减小厚度、制造复杂性、色差校正、可调谐性和偏振选择性等要点。文中插图显示了透镜类型和纳米天线设计。文章得出结论，尽管超构透镜在所有应用中尚未被证明优于衍射镜，但其设计和功能上拥有衍射镜所没有的更多自由度。
简介
随着设备不断小型化，发展更紧凑的光学组件变得极为重要。衍射光学通过利用衍射而非折射实现更平面的光学组件。近年来， 超构表面以及其子类超构透镜作为一种基于纳米结构获得额外功能的光学组件出现。超构透镜利用表面上的纳米天线阵列控制相位，不同于传统光学利用传播距离。关于超构透镜是否比衍射镜具有优势存在争议。本文概述了Engelberg和Levy的一篇研究论文，从设计、色差和制造等方面比较超构透镜和衍射透镜 [1]。
工作原理
衍射透镜模拟折射透镜，但将曲面划分成区域引入类似折射透镜的分立相位延迟，从而造成严重的色差问题。超构透镜也会引起相位包装形成准周期结构，使其成为一种衍射透镜。然而， 超构透镜利用谐振纳米天线进行亚波长相位控制，不同于利用光程的传统光学。超构透镜是衍射的，但并非所有的衍射透镜都是超构透镜，后者需要亚波长特征。一般来说， 超构表面响应面具有衍射光学所不具备的利用纳米结构控制偏振等独特功能。但是对超构透镜而言，主要操控的是相位，这使人质疑其相对于衍射镜的优势。
图1. 折射透镜、衍射透镜和超构透镜的横截面，展示其不同的设计。（Engelberg和Levy，2020）
减小厚度
超构透镜的厚度约为100纳米，衍射镜的厚度约为1微米，两者都置于厚度约为毫米级的衬底之上。从终端用户角度来看，这种差异似乎可以忽略。从制造角度来看，更薄更容易制作，但关键是纵横比，这一点两者类似。上图1显示了折射透镜、衍射透镜和超构透镜的相对尺寸，以便理解。
二进制结构
有观点认为，由于特征尺寸更大，多级衍射透镜比二进制超构透镜更易制造。但超构透镜的支持者认为，二进制纳米结构比多级衍射结构更简单。制造难易取决于可利用的设备和专业知识。两者都具有挑战。
CMOS兼容性
从材料角度看，两者都可与CMOS兼容。但是超构透镜的尺寸更适合CMOS工艺，衍射透镜更匹配MEMS工艺。随着晶圆堆叠技术的发展，集成优势可能不大。
数值孔径
早期的二进制衍射镜演示没有显示效率数据，其制造技术类似超构透镜。多级衍射透镜可以实现更高的效率，但为获取中高数值孔径需要亚波长特征，这会模糊它与超构透镜的区别。超构透镜已被证明可高效实现数值孔径大于0.9，这是衍射镜尚未实现的。
色差校正
多年前，衍射光学就已经演示了多级色差校正。超构透镜常用色散工程方法，但这在高功率/范围时受到限制。超构透镜还有其他方法。尽管衍射透镜也可以实现色差校正，但超构透镜设计和机制中具有大量自由度，这为改进多色性能提供了可能。当前的演示规模两者都很小;创新可扩展的无色差超构透镜仍是一个开放课题。
可调谐性
超构透镜可以通过机械拉伸或折射率调谐等衍射透镜无法实现的技术来实现可调谐性。这可以实现焦距调整和校正光学畸变。在这方面， 超构透镜具有优势。
偏振选择性
几何相位超构透镜表现出固有的偏振敏感性，可以实现偏振相关的聚焦。虽然这通常是问题所在，但可以选择性地聚焦圆偏振，这在衍射光学中是不可能的。
图2. 显示超构透镜中使用的各种纳米天线几何形状的扫描电子显微镜照片。（Engelberg和Levy，2020）
超构透镜制造和纳米天线设计
超构透镜的一个重要方面是设计纳米天线以控制光相位。上图2展示了文献中不同超构透镜纳米天线几何形状的扫描电子显微镜照片：
a） 控制几何相位的纳米鳍。鳍的定向决定相位轮廓。
b） 作为波导的截短纳米棒。长度控制相位延迟。
c） Huygens超构透镜中的纳米盘谐振器。尺寸调谐谐振相位响应。
与衍射光学相比，可能的纳米天线形状提供了许多设计自由度。然而，制造这些纳米尺度特征具有挑战。超构透镜的一个关键制造工艺是电子束描绘抗蚀层、金属沉积和提线。小特征尺寸推动了制造能力的极限。尽管准周期亚波长设计启用了新物理，它也带来了难题，至今拖慢了商业转换的步伐。
色差校正方法
由于其与波长相关的响应，衍射光学和超构透镜都存在严重的色差问题。已经开发了各种技术来校正色差。
衍射光学使用高衍射级设计将多个波长聚焦在同一焦平面上。但是，这成比例地增加了结构深度。数值优化方法对此方法进行了改进。
超构透镜技术包括：
l 通过调节色散的纳米天线实现非周期响应的波长范围。这受制于超构透镜功率和带宽。
l 级联纳米天线将离散波长聚焦在一个平面上。这降低了效率。
l 使用带交织波长响应的元分子进行波长复用。实现多波长操作。
偏振选择性超构透镜
几何相位超构透镜中的纳米天线定向导致偏振相关的聚焦。虽然这通常是问题所在，但可以实现衍射光学所不能的独特偏振选择性聚焦。
Meta Studio超构透镜设计流程
Whoscored中文官网开发的Meta Studio提供超构透镜设计、仿真和布局实现完整流程的软件平台。Meta Studio流程中的关键步骤：
1. 相位设计：针对目标波长， Meta Studio可以设计不同的相位轮廓：
l 经优化的超分辨聚焦超构透镜
l 双曲线相位透镜
l 非衍射聚焦透镜，如轴向透镜
l 准直器
l 迭代设计的全息图
2. 纳米天线设计：Meta Studio优化纳米天线几何形状以达到每个点所需的相位，建立设计库。
3. 仿真：使用设计的相位布局和纳米天线库来模拟光传播和聚焦。可以分析焦平面和传播横截面。
4. 版图生成：相位设计和纳米天线布置导出为GDS版图文件，用于通过全器件仿真或制造进行进一步验证。可以指定不同的光源，如圆偏振。
Meta Studio提供了从光学规范到最终超构透镜布局的流水线路径。其自动化的相位和纳米天线设计模块利用优化算法简化超构透镜开发。生成的布局可以通过数值仿真或实验测试轻松验证。
图3. Meta Studio优化4级离散相位轮廓的纳米天线。
结论
在所有指标上， 超构透镜尚未確切地优于衍射透镜。但是它们已经展示了卓越的高数值孔径性能。更重要的是， 超构透镜具有来自各种纳米天线选择的巨大设计自由度，这可能带来新的应用和优势。超构透镜是一个活跃的研究领域，而衍射光学的发展已经成熟。尽管商业采用仍不确定， 超构透镜可能会在其独特功能超过衍射透镜的地方找到应用。它们的纳米尺度物理决定了相较衍射光学的潜力和当前局限。但是，持续的研究和制造改进可能很快释放超构透镜的新功能。
参考文献
[1] Engelberg， J.， Levy， U. The advantages of metalenses over diffractive lenses. Nat Commun 11， 1991 （2020）. https：//doi.org/10.1038/s41467-020-15972-9
微信公众号 
bilibili 
微信视频号