面向偏振成像的超構(gòu)表面器件功能原理和未來趨勢(shì)

偏振成像在信息獲取的維度上不同于光強(qiáng)或光譜等傳統(tǒng)成像技術(shù)，不僅能采集場景的二維空間分布信息，還可獲取偏振度、偏振角和橢圓度等偏振特性參量。偏振成像技術(shù)在目標(biāo)探測、水下成像、生命科學(xué)、環(huán)境監(jiān)測、三維成像等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

為解算場景的偏振態(tài)信息，偏振成像系統(tǒng)需要采集多幅偏振態(tài)互異的強(qiáng)度影像，其中偏振分光或?yàn)V光器件起到關(guān)鍵作用，它不僅決定偏振成像系統(tǒng)的探測模式、譜段范圍和分辨率等光學(xué)性能，也在很大程度上影響了系統(tǒng)整機(jī)的架構(gòu)、體積、質(zhì)量等指標(biāo)。隨著微納加工技術(shù)的發(fā)展，利用微納加工工藝在半導(dǎo)體襯底上制備微納結(jié)構(gòu)從而調(diào)控光場偏振特性的光功能器件，因其輕量化、集成度高、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)受到了研究人員的青睞。目前，微納結(jié)構(gòu)偏振器件亞波長金屬線柵的發(fā)展較為成熟，已實(shí)現(xiàn)從可見光波段到紅外波段的產(chǎn)品系列化。超構(gòu)表面（Metasurfaces）作為超構(gòu)材料的二維平面形式，兼具工藝可實(shí)施性和光場多維調(diào)控能力，成為研究人員新的追逐方向?；诔瑯?gòu)表面的偏振器件可同時(shí)調(diào)控光場的TM偏振和TE偏振分量，從而理論上使器件的能量利用效率突破50%。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，西北工業(yè)大學(xué)、西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所與北京理工大學(xué)的聯(lián)合科研團(tuán)隊(duì)在《中國光學(xué)（中英文）》期刊上發(fā)表了以“面向偏振成像的超構(gòu)表面研究進(jìn)展”為主題的綜述文章。該文章第一作者是周俊焯博士，主要從事微納偏振器件、偏振成像系統(tǒng)及其應(yīng)用方面的研究；通訊作者是虞益挺教授，主要從事微納光學(xué)成像與傳感技術(shù)方面的研究。

該文章針對(duì)偏振成像領(lǐng)域，綜述相關(guān)超構(gòu)表面的功能原理、發(fā)展脈絡(luò)和未來趨勢(shì)，討論并展望其在成像應(yīng)用和系統(tǒng)集成方面所面臨的挑戰(zhàn)與未來。

面向偏振成像的超構(gòu)表面器件

超構(gòu)表面調(diào)控光場的研究熱潮興起于2011年哈佛大學(xué)Capasso課題組的一項(xiàng)研究工作。該工作基于費(fèi)馬原理提出廣義斯涅爾定律，指出在兩介質(zhì)的交界面上對(duì)光波施加離散的相位突變即可調(diào)控波前，并基于V型等離激元天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了波束偏轉(zhuǎn)器和渦旋相位板。超構(gòu)表面體現(xiàn)出對(duì)光場精細(xì)調(diào)控的能力，引起科研人員對(duì)于微納光子學(xué)器件濃厚的研究興趣，由此基于超構(gòu)表面的波片、偏振調(diào)控全息、特殊光場生成器等器件被陸續(xù)提出。

針對(duì)偏振成像領(lǐng)域，基于超構(gòu)表面的偏振器件，可分為光柵型和透鏡型兩類。光柵型偏振成像超構(gòu)表面將不同偏振態(tài)的光映射到光柵的不同衍射級(jí)次，通過搭配后置透鏡會(huì)聚光束到探測器焦平面，從而實(shí)現(xiàn)分孔徑型偏振成像；透鏡型偏振成像超構(gòu)表面則將入射光按照預(yù)設(shè)的偏振態(tài)分束，并分別會(huì)聚到指定焦點(diǎn)位置處，可實(shí)現(xiàn)分焦平面型或分孔徑型偏振成像。兩者均有望代替亞波長金屬線柵集成到偏振成像系統(tǒng)中，并突破后者的能量利用效率極限。盡管超構(gòu)表面能對(duì)TM偏振光和TE偏振光進(jìn)行空間復(fù)用，但其能量利用效率的提升并非一蹴而就。構(gòu)成超構(gòu)表面的基本單元經(jīng)歷了從等離激元結(jié)構(gòu)，到間隙表面等離激元結(jié)構(gòu)，最后到全電介質(zhì)結(jié)構(gòu)的演變過程。

基于等離激元結(jié)構(gòu)

早期的超構(gòu)表面采用金或銀等金屬材料作為其結(jié)構(gòu)材料，這是因?yàn)樗鼈兙哂懈叩?a target="_blank">電子密度和電導(dǎo)率，使其在紅外或微波波段具有良好的性能表現(xiàn)。但在可見光波段，電磁波頻率接近自由電子共振頻率，電磁波入射金屬結(jié)構(gòu)會(huì)引起金屬內(nèi)部自由電子的集體振蕩，即等離激元現(xiàn)象，導(dǎo)致入射波能量轉(zhuǎn)化為自由電子振動(dòng)能量，從而使基于等離激元結(jié)構(gòu)的超構(gòu)表面體現(xiàn)出很強(qiáng)的金屬損耗，通常其能量利用效率不會(huì)超過10%。為提高超構(gòu)表面的能量利用效率，研究人員采用間隙表面等離激元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)超構(gòu)表面。間隙表面等離激元（GSP）結(jié)構(gòu)是在金屬納米諧振器和金屬膜層之間插入亞波長厚度的電介質(zhì)隔層，通過電介質(zhì)隔層上下兩側(cè)的表面等離激元耦合實(shí)現(xiàn)光場增強(qiáng)，從而提高器件的光能利用效率。

圖1 基于等離激元結(jié)構(gòu)和全電介質(zhì)結(jié)構(gòu)的超構(gòu)表面。（a）基于GSP結(jié)構(gòu)的全斯托克斯偏振測定光柵型超構(gòu)表面；（b）該光柵型超構(gòu)表面由3組相位梯度不同的微納結(jié)構(gòu)陣列組成，可調(diào)控(x, y)、(a, b)、(l, r)正交偏振態(tài)；（c）基于GSP結(jié)構(gòu)的光柵型圓偏振分光超構(gòu)表面；（d）基于GSP的透鏡型偏振分光超構(gòu)表面；（e）超構(gòu)單元包含2種TiO?微納結(jié)構(gòu)，分別調(diào)控左旋和右旋偏振光；（f）圓二色性甲蟲外骨骼成像實(shí)驗(yàn)；（g）超像元由分別會(huì)聚x，y，a，b，l，r偏振態(tài)的超構(gòu)透鏡組成；（h）該超構(gòu)表面可作為Hartmann-Shack波前傳感器，徑向偏振光的強(qiáng)度分布（左），解析得到的偏振輪廓圖（右）

基于全電介質(zhì)結(jié)構(gòu)

為進(jìn)一步提高能量利用效率，并實(shí)現(xiàn)工作于透射模式的偏振分光超構(gòu)表面，研究人員考慮使用低損耗的電介質(zhì)材料作為超構(gòu)表面的結(jié)構(gòu)材料。由于避免導(dǎo)體電子與光波作用產(chǎn)生的等離激元現(xiàn)象，電介質(zhì)結(jié)構(gòu)單元對(duì)光場的振幅和相位調(diào)制量隨結(jié)構(gòu)尺寸的變化較為平滑，不存在振幅相位突變點(diǎn)，這有助于結(jié)構(gòu)單元排列。

基于幾何相位和傳輸相位

由于電介質(zhì)材料具有較大的折射率和較小的衰減系數(shù)，因此電介質(zhì)超構(gòu)表面可以避免歐姆損耗和材料色散等問題。此外，電介質(zhì)超構(gòu)表面的制造工藝與半導(dǎo)體金屬氧化物制造工藝兼容，有望實(shí)現(xiàn)光功能芯片和電子電路芯片的一體化集成。然而，上述超構(gòu)表面設(shè)計(jì)通過交織排列對(duì)不同偏振態(tài)光進(jìn)行調(diào)控的微納結(jié)構(gòu)陣列，從而實(shí)現(xiàn)多種偏振態(tài)的分束聚焦，這種分割孔徑的設(shè)計(jì)方法或?qū)纹衲B(tài)進(jìn)行濾光的工作機(jī)理使其能量利用效率極限僅為50%，未能充分展現(xiàn)超構(gòu)表面多維光場聯(lián)合調(diào)控的優(yōu)勢(shì)。利用幾何相位和傳輸相位相結(jié)合的光場調(diào)控方法可實(shí)現(xiàn)對(duì)正交偏振態(tài)的同時(shí)調(diào)制，進(jìn)而突破傳統(tǒng)方法的能量利用效率極限。幾何相位是電磁波在偏振態(tài)轉(zhuǎn)換過程中，各向異性結(jié)構(gòu)的幾何旋轉(zhuǎn)會(huì)使之產(chǎn)生一個(gè)額外的相位，由1956年印度科學(xué)家Pancharatnam和1984年英國理論物理學(xué)家Berry分別獨(dú)立研究發(fā)現(xiàn)，故也稱為Pancharatnam-Berry相位。傳輸相位和幾何相位結(jié)合調(diào)控光場的方法，也可用于構(gòu)造單透鏡型偏振分光超構(gòu)表面，實(shí)現(xiàn)分孔徑偏振成像。

圖2 基于幾何相位和傳輸相位原理的全電介質(zhì)超構(gòu)表面。（a）由非晶硅納米橢圓柱構(gòu)建的超構(gòu)表面；（b）光柵型偏振分光超構(gòu)表面、透鏡型偏振分光超構(gòu)表面、偏振調(diào)控全息超構(gòu)表面和偏振調(diào)控特殊光場生成超構(gòu)表面；（c）透鏡陣列型偏振分光超構(gòu)表面；（d）目標(biāo)偏振圖案（左）、基于常規(guī)偏振成像方法得到的偏振圖案（中）、基于超構(gòu)表面得到的偏振圖案（右）；（e）單透鏡型偏振分光超構(gòu)表面；（f）3塊偏振分光超構(gòu)透鏡拼成的超構(gòu)表面；（g）6種基本偏振態(tài)入射，超構(gòu)表面的偏振分束聚焦效果實(shí)驗(yàn)與仿真的比較

超構(gòu)表面系統(tǒng)集成研究

器件研究的最終目的是其系統(tǒng)集成。2019年，哈佛大學(xué)的Rubin等基于矩陣傅里葉光學(xué)設(shè)計(jì)光柵型偏振分光超構(gòu)表面，并將其集成于相機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)偏振成像。

圖3 基于矩陣傅里葉光學(xué)的光柵型偏振分光超構(gòu)表面的原理、成像及系統(tǒng)。（a）光柵型偏振分光超構(gòu)表面原理圖；（b）搭配后置透鏡和探測器可實(shí)現(xiàn)偏振成像；（c）4種非常規(guī)偏振態(tài)；（d）集成該超構(gòu)表面的全斯托克斯偏振成像系統(tǒng)；（e）偏振測定圖像；（f）偏振角圖像；（g）全斯托克斯偏振測定模塊

以上內(nèi)容以能量利用效率主線，介紹基于等離激元結(jié)構(gòu)和全電介質(zhì)結(jié)構(gòu)的偏振成像超構(gòu)表面。兩種超構(gòu)表面按照其功能形式，可分為光柵型和透鏡型，透鏡型偏振成像超構(gòu)表面根據(jù)其結(jié)構(gòu)形式又可分為單透鏡型和透鏡陣列型；按照其工作機(jī)制，可分為濾光型和分光型。表1列出本節(jié)詳細(xì)闡述的超構(gòu)表面的工作波段、能量效率、工作模式、制備材料、加工工藝及其功能形式。

表1 本節(jié)詳細(xì)闡述的超構(gòu)表面特性比較

未來發(fā)展方向

不論何種功能類型的超構(gòu)表面器件，其底層機(jī)理都是微納結(jié)構(gòu)單元在該點(diǎn)處對(duì)光場兩正交偏振方向的振幅和相位調(diào)制，最終使得整塊超構(gòu)表面的光學(xué)響應(yīng)等于各離散點(diǎn)光學(xué)響應(yīng)在空間上的線性疊加，因此超構(gòu)表面的設(shè)計(jì)可以歸結(jié)于超構(gòu)單元及其排列方式的設(shè)計(jì)。超構(gòu)表面的未來發(fā)展就是以超構(gòu)單元為切入點(diǎn)，對(duì)其材料、性態(tài)、結(jié)構(gòu)、排列等屬性進(jìn)行優(yōu)化，例如耦合波導(dǎo)超構(gòu)單元設(shè)計(jì)、機(jī)器學(xué)習(xí)輔助超構(gòu)單元排列、基于活性材料的超構(gòu)單元設(shè)計(jì)等。面向偏振成像的超構(gòu)表面在上述發(fā)展趨勢(shì)的共性中體現(xiàn)出個(gè)性，表現(xiàn)為對(duì)工作波段、偏振性能、設(shè)計(jì)效率和可調(diào)特性的緊密關(guān)切。目前，超構(gòu)透鏡是超構(gòu)表面產(chǎn)業(yè)化的主流方向，許多寬帶消色差、機(jī)器學(xué)習(xí)輔助設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)可調(diào)研究是針對(duì)超構(gòu)透鏡的，但是“千舉萬變，其道一也”，面向超構(gòu)透鏡的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法對(duì)偏振成像超構(gòu)表面也極具參考價(jià)值，尤其是透鏡型偏振成像超構(gòu)表面。下面將介紹超構(gòu)透鏡在寬帶消色差、機(jī)器學(xué)習(xí)輔助設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)可調(diào)方面的研究工作，并著重闡述這些研究方法對(duì)偏振成像超構(gòu)表面所具備的可遷移性。

大帶寬消色差偏振成像超構(gòu)表面

超構(gòu)表面器件具有色散效應(yīng)，一方面是由于電磁波傳播過程中的累積相位與波長相關(guān)，另一方面是超構(gòu)單元的電磁響應(yīng)特性受波長影響。不同于傳統(tǒng)折射光學(xué)元件，超構(gòu)表面對(duì)電磁波的偏折角隨波長增大而增大，呈現(xiàn)反常色散現(xiàn)象。對(duì)于超構(gòu)透鏡，其波長依賴的焦距導(dǎo)致像平面產(chǎn)生色差，嚴(yán)重影響成像質(zhì)量。目前已有許多針對(duì)超構(gòu)透鏡的寬帶消色差方法，主要思路是使各個(gè)位置處超構(gòu)單元的色散特性滿足超構(gòu)透鏡對(duì)隨波長變化的聚焦相位需求。

圖4 寬帶消色差偏振分光超構(gòu)表面。（a）耦合矩形電介質(zhì)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)；（b）聚焦相位可分為基礎(chǔ)相位和色散相位；（c）特殊設(shè)計(jì)的微納金屬結(jié)構(gòu)單元存在數(shù)個(gè)諧振峰；（d）實(shí)驗(yàn)和仿真得到的2種偏振態(tài)下超構(gòu)透鏡焦長隨波長的變化情況；（e）2種線偏振光入射時(shí)測得的散射場強(qiáng)度分布圖；（f）近紅外波段消色差多維探測超構(gòu)透鏡陣列；（g）XLP和LCP入射時(shí)測得的散射場強(qiáng)度分布圖

透鏡型偏振成像超構(gòu)表面的設(shè)計(jì)原理與超構(gòu)透鏡類似，不同之處在于前者的焦點(diǎn)位置與入射光波偏振特性相關(guān)，這是通過各向異性超構(gòu)單元的雙折射效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的，由此單元排列而成的超構(gòu)表面對(duì)正交偏振態(tài)呈現(xiàn)出兩種獨(dú)立的相位分布和振幅調(diào)制。因此參考超構(gòu)透鏡的寬帶消色差方法，透鏡型偏振分光超構(gòu)表面寬帶消色差的關(guān)鍵在于引入偏振相關(guān)的相位補(bǔ)償。論文中研究提出的寬帶消色差透鏡型偏振分光超構(gòu)表面設(shè)計(jì)已初見成效，然而超構(gòu)表面的尺寸與其消色差范圍存在內(nèi)稟的制約關(guān)系，致使該類器件尺寸十分有限。為突破參量間的制約關(guān)系并進(jìn)而提升超構(gòu)表面的綜合性能，還需要對(duì)超構(gòu)單元調(diào)制方式進(jìn)行機(jī)理性研究。

機(jī)器學(xué)習(xí)輔助超構(gòu)表面設(shè)計(jì)

盡管已有一些經(jīng)典的物理模型對(duì)超構(gòu)表面的工作原理作出解釋，并指導(dǎo)超構(gòu)單元的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其排列方式，然而隨著人們對(duì)超構(gòu)表面要求的不斷提高，結(jié)構(gòu)單元更加復(fù)雜、結(jié)構(gòu)數(shù)量指數(shù)上升、結(jié)構(gòu)分布更加任意，這些都使得嚴(yán)格從物理模型推導(dǎo)超構(gòu)表面的設(shè)計(jì)方法已經(jīng)不能滿足人們的需求，必須借助算法來優(yōu)化和設(shè)計(jì)超構(gòu)表面。機(jī)器學(xué)習(xí)是一種人工智能實(shí)現(xiàn)方法，近年來被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究、醫(yī)藥診斷、經(jīng)濟(jì)分析等領(lǐng)域，其通過數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的思想建模，不直接引入人為設(shè)定的規(guī)則，而是從大量數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)得到研究目標(biāo)的規(guī)律和特征，為微納光子學(xué)器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了嶄新的方向。

機(jī)器學(xué)習(xí)方法可通過優(yōu)化微納光子學(xué)器件的結(jié)構(gòu)排布實(shí)現(xiàn)器件性能的優(yōu)化?；谖锢砟Ｐ偷某瑯?gòu)表面設(shè)計(jì)方法首先根據(jù)器件功能的需要，計(jì)算出超構(gòu)表面各點(diǎn)所需的振幅調(diào)制和相位突變量，通過數(shù)值仿真軟件掃描超構(gòu)單元結(jié)構(gòu)參數(shù)，得到不同形狀超構(gòu)單元及其光學(xué)響應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，從數(shù)據(jù)庫中挑選最符合預(yù)期的結(jié)構(gòu)單元。但當(dāng)超構(gòu)單元結(jié)構(gòu)參數(shù)較多、步長劃分較細(xì)時(shí)，基于全模數(shù)值仿真方法的超構(gòu)表面設(shè)計(jì)周期很長。

圖5 基于機(jī)器學(xué)習(xí)的微納光子學(xué)器件設(shè)計(jì)。（a）可見光波段消色差多階衍射透鏡；（b）二分搜索算法流程;（c）逆向設(shè)計(jì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；（d）透鏡型偏振分光超構(gòu)表面；（e）端到端的統(tǒng)計(jì)機(jī)器學(xué)習(xí)框架；（f）多頻率點(diǎn)透鏡型偏振分光超構(gòu)表面的仿真和實(shí)驗(yàn)效果

逆向設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)將電磁響應(yīng)作為輸入，超構(gòu)單元結(jié)構(gòu)參數(shù)作為輸出。但由期望的相位響應(yīng)找到超構(gòu)單元的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)并非是一個(gè)簡單的反問題，特別是在考慮多頻率點(diǎn)和偏振的情況下。例如，對(duì)于給定的相位要求是否存在物理上可行的超構(gòu)單元結(jié)構(gòu)，或者如何充分利用參數(shù)空間以最優(yōu)近似這樣的相位要求，均是逆向設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)需要克服的難題。

盡管機(jī)器學(xué)習(xí)模型可以在海量數(shù)據(jù)的支持下不斷迭代優(yōu)化其性能，但傳統(tǒng)的機(jī)器學(xué)習(xí)僅適應(yīng)于特定的特征空間和數(shù)據(jù)分布，針對(duì)不同任務(wù)缺乏泛化能力，在物理本質(zhì)相近但應(yīng)用場景稍有不同的情境下即面臨失效的風(fēng)險(xiǎn)。目前，超構(gòu)表面設(shè)計(jì)領(lǐng)域的機(jī)器學(xué)習(xí)模型通常用于結(jié)構(gòu)單元的尺寸優(yōu)化，而難以實(shí)現(xiàn)其形狀優(yōu)化，但不同形狀超構(gòu)單元因其具有不同的電磁耦合模式而在大帶寬消色差、大入射角范圍、高偏振消光比超構(gòu)表面設(shè)計(jì)中起到關(guān)鍵作用。因此，增強(qiáng)機(jī)器學(xué)習(xí)模型在不同超構(gòu)單元形狀間的遷移能力，并使其實(shí)現(xiàn)多耦合結(jié)構(gòu)超構(gòu)單元的電磁響應(yīng)預(yù)測是該領(lǐng)域未來需要探究的方向之一。此外，目前機(jī)器學(xué)習(xí)方法優(yōu)化得到的模型參數(shù)不具備可解釋性，其設(shè)計(jì)結(jié)果難以幫助研究者參透器件設(shè)計(jì)的真正奧義，如果沒有底層地對(duì)器件機(jī)理的深入了解，超構(gòu)表面性能提升終將迎來瓶頸。因此，如何從機(jī)器學(xué)習(xí)模型中提取其物理含義或增強(qiáng)機(jī)器學(xué)習(xí)模型的可解釋性是該領(lǐng)域至關(guān)重要的命題。

動(dòng)態(tài)可調(diào)偏振成像超構(gòu)表面

大多數(shù)超構(gòu)表面的材料和結(jié)構(gòu)一旦固定下來，其功能往往也是確定的。但某些應(yīng)用場合要求超構(gòu)表面具有焦距動(dòng)態(tài)可調(diào)的能力，例如：在顯微成像、目標(biāo)探測等領(lǐng)域，需要成像系統(tǒng)具有可調(diào)的視場范圍和成像放大率；在極端工作溫度環(huán)境中，需要成像系統(tǒng)能補(bǔ)償因環(huán)境溫度偏離預(yù)設(shè)工作溫度而導(dǎo)致的光學(xué)離焦。目前，商業(yè)變焦鏡頭是在鏡頭中加入一組活動(dòng)透鏡實(shí)現(xiàn)變焦，但其驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)體積龐大，致使成像系統(tǒng)集成困難。焦距動(dòng)態(tài)可調(diào)超構(gòu)透鏡為集成式變焦成像系統(tǒng)提供了一種解決方案。

焦距動(dòng)態(tài)可調(diào)超構(gòu)透鏡主要基于結(jié)構(gòu)重組和活性材料兩種方法?；诮Y(jié)構(gòu)重組的焦距動(dòng)態(tài)可調(diào)超構(gòu)透鏡通過改變結(jié)構(gòu)單元的排列、形狀和方向，使得局部場態(tài)或整個(gè)系統(tǒng)的光學(xué)響應(yīng)伴隨變化，結(jié)構(gòu)重組通常利用柔性拉伸材料或微機(jī)電系統(tǒng)。

圖6 焦距動(dòng)態(tài)可調(diào)超構(gòu)透鏡。（a）基于柔性基底的動(dòng)態(tài)可調(diào)超構(gòu)透鏡；（b）縱向間距可調(diào)的超構(gòu)透鏡組，原理示意圖（左）、器件的光學(xué)顯微鏡圖像（右上）、兩超構(gòu)透鏡鍵合示意圖（右下）；（c）液晶浸潤實(shí)現(xiàn)焦點(diǎn)動(dòng)態(tài)調(diào)制；（d）基于超低損耗相變材料Sb?S?的近紅外熱調(diào)控變焦超構(gòu)透鏡；（e）環(huán)向拉伸實(shí)現(xiàn)焦距動(dòng)態(tài)可調(diào)偏振分光超構(gòu)透鏡；（f）器件焦距和能量透射率隨單元周期的變化曲線；（g）不同單元周期下電場能量隨縱軸方向的變化曲線

基于活性材料（AMs）的超構(gòu)透鏡，將活性材料作為超構(gòu)透鏡的功能單元或周圍環(huán)境介質(zhì)的一部分，利用活性材料的光學(xué)參數(shù)可隨電、磁、熱等外部激勵(lì)而變化的特性，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)焦。典型的活性材料有液晶、半導(dǎo)體、相變材料、石墨烯等。

為驗(yàn)證焦距動(dòng)態(tài)可調(diào)超構(gòu)透鏡設(shè)計(jì)方法對(duì)偏振成像超構(gòu)表面具有可遷移性，本文基于傳輸相位原理設(shè)計(jì)將正交線偏振態(tài)分束聚焦的全硅超構(gòu)表面，利用有限時(shí)域差分方法（FDTD）仿真研究拉伸基底時(shí)透鏡型偏振分光超構(gòu)表面的聚焦特性。

總結(jié)與展望

物體表面散射光的偏振態(tài)蘊(yùn)含其形貌特征及理化特性等信息，使得偏振成像技術(shù)在目標(biāo)探測、水下成像、生命科學(xué)、環(huán)境監(jiān)測、三維成像等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。偏振分光棱鏡、染料系偏振片等傳統(tǒng)偏振器件難以滿足高集成、高性能、高可靠性偏振成像系統(tǒng)的需求。隨著微納制造技術(shù)的發(fā)展，微納結(jié)構(gòu)偏振器件因其良好的光學(xué)性能和可靠的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，得到科研人員的青睞。亞波長金屬線柵被證實(shí)具有較寬的工作波段，能在較大的入射角范圍和溫度范圍內(nèi)具有優(yōu)異的偏振性能表現(xiàn)；利用等效介質(zhì)理論可以較準(zhǔn)確解釋其光學(xué)性能；較少的可調(diào)參數(shù)允許有限時(shí)域差分（FDTD）或嚴(yán)格耦合波分析（RCWA）方法可快速尋找到最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)解，使得該類器件的設(shè)計(jì)和優(yōu)化過程較為簡單；納米壓印技術(shù)允許該類器件的批量生產(chǎn)，雙光束干涉曝光方法支持該類器件的快速制樣，因此亞波長金屬線柵的產(chǎn)品化、系列化已較為成熟。然而，亞波長金屬線柵僅利用了入射光中的TM偏振模式，原理上存在50%的能量利用效率極限?；趤啿ㄩL金屬線柵的偏振成像系統(tǒng)在低光能量的雜亂場景中難以達(dá)到預(yù)期的成像效果。二維超構(gòu)材料，即超構(gòu)表面，兼具工藝易施性和多維光場參量調(diào)控能力，可以獨(dú)立調(diào)控入射光中的TM偏振和TE偏振分量，從而突破亞波長金屬線柵的能量利用效率極限。

面向偏振成像應(yīng)用的超構(gòu)表面，可分為光柵型和透鏡型兩類，兩者均可集成于偏振成像系統(tǒng)。為實(shí)現(xiàn)高能量利用效率偏振器件，超構(gòu)表面單元結(jié)構(gòu)從最初的等離激元結(jié)構(gòu)，發(fā)展到間隙表面等離激元結(jié)構(gòu)和全電介質(zhì)結(jié)構(gòu)。等離激元結(jié)構(gòu)超構(gòu)表面因其本征的歐姆損耗導(dǎo)致其能量利用效率不超過10%；間隙表面等離激元結(jié)構(gòu)利用電介質(zhì)隔層兩面的表面等離激元耦合實(shí)現(xiàn)光場增強(qiáng)，但僅工作于反射模式下，且此類諧振式超構(gòu)表面的工作帶寬較窄；全電介質(zhì)結(jié)構(gòu)基于幾何相位和傳輸相位結(jié)合的光場調(diào)控原理，可實(shí)現(xiàn)高能量利用效率的透射式偏振器件。未來為實(shí)現(xiàn)偏振成像超構(gòu)表面器件的產(chǎn)品化，還需探究寬帶消色差、機(jī)器學(xué)習(xí)輔助設(shè)計(jì)、功能動(dòng)態(tài)可調(diào)的偏振成像超構(gòu)表面設(shè)計(jì)方法。

集成超構(gòu)表面的分焦平面型偏振成像系統(tǒng)

2019年，Capasso課題組搭建集成全電介質(zhì)光柵型超構(gòu)表面的分孔徑型偏振成像系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)超構(gòu)表面在系統(tǒng)集成領(lǐng)域的里程碑式突破。然而，分孔徑型偏振成像系統(tǒng)將不同偏振態(tài)的圖像映射到焦平面的不同區(qū)域，存在焦平面分辨率損失的缺點(diǎn)；此外，為解析場景偏振態(tài)，通常要求幾幅圖像的配準(zhǔn)誤差小于1/10個(gè)像素，這與分孔徑成像系統(tǒng)固有的視場誤差相矛盾，需要后期對(duì)圖像進(jìn)行配準(zhǔn)處理。分焦平面偏振成像系統(tǒng)可以克服分孔徑型偏振成像系統(tǒng)的缺點(diǎn)，焦平面上分像素級(jí)的互異偏振態(tài)成像，不僅允許使用插值算法恢復(fù)其圖像分辨率，而且其視場誤差滿足偏振態(tài)重構(gòu)的需求。透鏡陣列型偏振成像超構(gòu)表面因其具有像素級(jí)的分偏振態(tài)會(huì)聚能力，有望構(gòu)建分焦平面偏振成像系統(tǒng)；且其能提供數(shù)倍于波長的焦距，可避免傳統(tǒng)亞波長金屬線柵與探測器復(fù)雜的對(duì)準(zhǔn)貼裝工藝。然而，器件的焦點(diǎn)和探測器的感光像元存在一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì)器件的位置精度提出極高要求；此外，設(shè)計(jì)焦距可能達(dá)到超構(gòu)表面本身尺寸的數(shù)倍，從而導(dǎo)致較小的數(shù)值孔徑值，減弱器件對(duì)光的收集能力，這是另一個(gè)需要克服的難點(diǎn)。

高效率、大孔徑超構(gòu)表面加工方法

超構(gòu)表面為實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，通常需要根據(jù)場景定制功能，因此對(duì)其進(jìn)行快速制樣的加工技術(shù)必不可少。然而不同于亞波長金屬線柵，超構(gòu)表面的功能依賴于空間變化的結(jié)構(gòu)單元形貌，這意味著大范圍且精細(xì)的微納特征結(jié)構(gòu)加工。目前利用激光束直寫、電子束光刻等逐像素的加工方式效率低下，在整片晶圓范圍內(nèi)寫滿所需納米尺度結(jié)構(gòu)的時(shí)間甚至數(shù)以天計(jì)，成本極高；那些高效率的納米光刻方法，例如納米壓印和干涉光刻，又往往缺乏靈活性，前者是一種依賴模板圖案的復(fù)制技術(shù)，要求高分辨率的模板制造設(shè)備，后者通常只適用于制作大面積周期性的納米結(jié)構(gòu)。因此超構(gòu)表面的產(chǎn)業(yè)化還需革新性的微納加工技術(shù)支持。2022年，香港大學(xué)的李文迪課題組利用干涉光刻光強(qiáng)分布和光刻膠的非線性響應(yīng)特點(diǎn)，首先通過干涉曝光得到大范圍較為均勻的納米結(jié)構(gòu)，再由灰度圖案二次曝光方法分區(qū)剪裁納米結(jié)構(gòu)的特征尺寸，極大提高了空間變化納米結(jié)構(gòu)的制備效率。另一方面，由于電子束光刻或極紫外光刻等傳統(tǒng)工藝曝光范圍有限，大孔徑超構(gòu)表面的加工存在困難。2022年，華中科技大學(xué)的易飛課題組開發(fā)了一種“多版圖拼接式投影曝光”技術(shù)，其將5cm孔徑超構(gòu)透鏡的圖案劃分成9個(gè)部分，每個(gè)部分使用一塊掩模版實(shí)現(xiàn)，最后拼接組合成完整的大口徑超構(gòu)透鏡。這些加工方法可借鑒于偏振成像超構(gòu)表面的制造過程中。

這項(xiàng)研究獲得國家自然科學(xué)基金（No.51975483基金）、陜西省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（No.2020ZDLGY01-03）、寧波市自然科學(xué)基金（No.202003N4033）、深圳市虛大自由探索項(xiàng)目（No.2021Szvup112）以及深圳市虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)項(xiàng)目（No.YFJGJS1.0）的支持。

編輯：黃飛