超透镜技术的发展和应用

文章来源：ACT激光世界 原文作者：LFWC杂志  

从对经典的反射和折射光学定律的修订开始，人们就设想了超表面和超透镜，以及如何利用这些器件创建纳米级的平面透镜，从而有可能彻底改变很多光学应用。

现在，第一款超透镜的应用已经成为现实，整个大批量生产的价值链也即将实现。这种平面透镜技术正在彻底改变用于传感和成像的光学器件。当然，在超透镜技术发挥其潜力之前，还有一些挑战需要克服。

超透镜技术的发展

与传统电子器件相比，光子器件在小型化和数据传输速度方面具有一些优势。但是直到最近，透镜的尺寸一直受到玻璃或塑料的材料属性（折射率和色散）的限制。因此，目前的光学技术仍然主要基于一种相对老式的工具，即玻璃透镜，研究人员除了在成型和磨削方面努力以获得更高的精度外，尚无法在其他方面对其进行改进。直到最近，人们还没办法大幅缩小用于相机、显微镜、望远镜和其他光学设备中的镜头的尺寸。

2016年，哈佛大学约翰·A·保尔森工程与应用科学学院（SEAS）的研究人员，展示了第一款能在可见光范围内高效工作的超透镜，覆盖了从红光到蓝光的整个彩色波段。由Capasso领导的SEAS团队将波导管称为“纳米鳍”（nanofins），他们设计的超透镜可以将光聚焦到一个直径约400nm的点上。与传统的透镜相比，SEAS团队使用了一种单薄、扁平的结构，多个波导（像细柱）以特定图案排列。

他们的超透镜是第一款聚焦整个可见光波段的透镜，其光学性能优于目前任何商用透镜。具体来说，因为超透镜是超薄的平面，所以它们不会产生像差。它们也是消色差的，因为所有波长的光几乎同时通过。

与玻璃或其他具有固定色散的传统材料相比，超透镜具有可调谐色散的额外优势（即操纵光的颜色如何分散的能力）。但最重要的是，超透镜可以在现有的CMOS半导体晶圆厂中大规模生产，从而实现光学系统的大规模晶圆级集成。

在过去的六年里，业界对超透镜的研究一直没有放缓。

为了实现微型化，科学家开发了具有可调功能的只有信用卡那么厚的平面透镜。这些由石墨烯和一个被穿孔的金表面制成的光学器件，可以作为面向先进应用的光学元件，这些应用包括振幅可调透镜、动态全息等。[1]

其他研究人员专注于超透镜设计原理和不同类型的新型超透镜（包括无标签亚分辨率、非线性、人工智能辅助、多功能和可重构等），以及如何消除聚焦像差，这是实现超透镜物镜和显微镜的必要条件。[2]

研究人员找到了一种能减小相机尺寸的解决方案：将超透镜和“空间板”（spaceplates）结合起来。空间板是一种光学器件，可以有效地将光传播到比其厚度长得多的距离。这种光学器件将缩小未来的成像系统，为超薄、无镜头相机和更大的传感器提供可能性。

当前的超透镜应用

点模式投影仪和用于3D传感的成像器件，大大简化了现有模块的占地面积和复杂性。作为一种完全平面的光学元件，为光学器件在半导体晶圆制造铺平了道路。

2022年1月，研发人员证明，创建泛光照明和结构光照明功能只需要两个智能元器件：一个是VCSEL，具有稳定和先进的线性偏振；另一个是超透镜，位于VCSEL的顶部。

该演示成功地证实，未来，支持智能手机摄像头明亮的3D场景照明，只需要一半甚至更少的光学元件。这些优势，再加上元件之间空间的缩小，意味着智能手机制造商可以获得新的技术竞争优势。随着偏振VCSEL的发展，它们将能满足智能手机、OLED屏以及虚拟现实和增强现实（VR和AR）应用对3D照明的严苛需求。

在一项应用中，II-VI的新型超透镜将VCSEL发出的光进行准直和分光，投射到一个高度均匀的网格上，该网格由数千束个投影到场景上的红外光束组成。光学传感器参考这些网格来精确地构建3D场景；超透镜和VCSEL系统的结合，为消费电子产品和汽车应用提供了差异化的超小型3D传感摄像头。

与折射透镜相比，现在能够结合元光学和衍射光学来构建更薄、更平、更轻的解决方案。因此，光学应用的尺寸和复杂性可以大大降低。通过结合各种技术，可以提高光学应用的成像质量和功能。

科学家利用双光子聚合（TPP）技术，为超透镜制造开发了一种开创性方法。该系统可在单个工艺步骤中，添加生成直径小于100nm的超原子（meta-atoms）。由于其非线性吸收，TPP提供了低于衍射极限的特征尺寸，并允许改变超原子的直径和高度，从而为基于聚合物的超透镜提供额外的设计自由度。图4显示了利用TPP技术制造的超透镜，在630nm工作波长下的焦距为100µm。

利用双光子聚合制造的聚合物超透镜。单个超原子的直径在100~450nm之间，高度在300~1000nm之间。在630nm下工作时，超透镜的焦距为100µm。

未来的挑战

成本是超透镜制造的一个主要挑战，因为在厘米级芯片上精确对准纳米级元件的难度极高，需要高昂的费用。此外，超透镜制造还面临着技术挑战，因为它不能像传统透镜那样高效地传输光线，对于全彩色成像等应用而言，这是一个重要缺陷。而且，超透镜太小，所以无法捕捉大量光线，这意味着至少到目前为止，它们不适合产生高质量的照片。

尽管仍存在一些挑战，但迄今为止，超透镜技术所取得的进展表明，它在光学、成像和显示系统的持续发展方面具有巨大的前景。新的超透镜可以在与计算机芯片相同的制造厂中制造，随着大规模生产的出现，成本也将大幅降低。这些优势，再加上其优越的性能、更小的尺寸和重量，以及比传统透镜更强大的功能和效率，使超透镜成为光学行业潜在的颠覆性产品，并有机会彻底改变我们看世界的方式。

审核编辑：汤梓红