超構(gòu)器件的前沿研究與技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

超構(gòu)光學(xué)為平面光學(xué)器件的發(fā)展提供了新的思路與方向。超構(gòu)器件由亞波長(zhǎng)人工納米結(jié)構(gòu)組成，能在二維平面上實(shí)現(xiàn)對(duì)入射光的振幅、相位和偏振的操縱。研究人員已經(jīng)發(fā)展了多種超構(gòu)表面技術(shù)，將其用于滿足各式各樣的光學(xué)需求。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，香港城市大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)在《光學(xué)學(xué)報(bào)》期刊上發(fā)表了以“超構(gòu)器件的設(shè)計(jì)、制造與成像應(yīng)用”為主題的文章。該文章第一作者為冷柏銳，通訊作者為蔡定平教授。

本文首先回顧了超構(gòu)器件的前沿研究與技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，介紹了超構(gòu)器件的廣義設(shè)計(jì)流程，并以連續(xù)寬帶消色差超構(gòu)透鏡為例進(jìn)行逐步說(shuō)明，幫助讀者理解；然后，展示了多種超構(gòu)器件加工方法，包括直寫(xiě)刻蝕、圖案轉(zhuǎn)移刻蝕和混合圖案刻蝕等，進(jìn)一步討論了超構(gòu)器件在成像應(yīng)用中的發(fā)展，包括偏振成像、光場(chǎng)成像、光學(xué)感測(cè)以及生物成像等；最后，進(jìn)行了總結(jié)，并對(duì)超構(gòu)器件未來(lái)的發(fā)展提出了見(jiàn)解與展望。

設(shè)計(jì)流程

方法與原理

超構(gòu)器件設(shè)計(jì)和制造的一般原理和方法如圖2所示。首先需要確定組成超構(gòu)表面的基本單元——超構(gòu)原子（meta-atom）或超構(gòu)分子（meta-molecule）的設(shè)計(jì)。超構(gòu)原子的光學(xué)特性主要由其納米結(jié)構(gòu)的幾何形狀和配置決定，故需要確定用于制造納米結(jié)構(gòu)的材料的介電常數(shù)、磁導(dǎo)率和折射率等，以通過(guò)計(jì)算仿真得到該結(jié)構(gòu)的色散函數(shù)等基本參數(shù)。使用商業(yè)軟件CST、Lumerical和COMSOL Multiphysics等對(duì)透射或反射光譜進(jìn)行仿真計(jì)算。通過(guò)這樣的手段，可以獲取各種結(jié)構(gòu)所具有的色散函數(shù)、效率、相位和偏振等光學(xué)性質(zhì)。

將這些光學(xué)信息與其對(duì)應(yīng)的納米結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存入一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)中。隨后，根據(jù)所設(shè)計(jì)的超構(gòu)表面的功能，獲取實(shí)現(xiàn)該功能所需要的表面相位、振幅或偏振分布。根據(jù)該分布，可以從以上數(shù)據(jù)庫(kù)中快速選取與之匹配的結(jié)構(gòu)單元。對(duì)要求苛刻的光學(xué)超構(gòu)器件來(lái)說(shuō)，在計(jì)算和設(shè)計(jì)中還需要考慮規(guī)格和制造的限制。半導(dǎo)體大規(guī)模生產(chǎn)過(guò)程的關(guān)鍵臨界尺寸和經(jīng)驗(yàn)參數(shù)可以幫助判斷光學(xué)超構(gòu)器件設(shè)計(jì)的可行性。在充分了解以上數(shù)據(jù)和信息之后，才能生成電子束刻蝕所用的光罩布局或用于大規(guī)模納米制造的光刻掩模。使用微米或納米光學(xué)光譜的實(shí)驗(yàn)光譜測(cè)量可以對(duì)超構(gòu)原子或超構(gòu)分子的實(shí)際功能進(jìn)行驗(yàn)證。可以使用透射電子顯微鏡（TEM）、掃描電子顯微鏡（SEM）、原子力顯微鏡（AFM）和近場(chǎng)掃描光學(xué)顯微鏡（NSOM）等實(shí)現(xiàn)對(duì)納米結(jié)構(gòu)、超構(gòu)表面和超構(gòu)器件的表征。此外，使用光學(xué)測(cè)試和測(cè)量來(lái)檢查超構(gòu)器件的參數(shù)也是重要的一步。

圖2 超構(gòu)器件的設(shè)計(jì)、制造和測(cè)試流程

光學(xué)寬帶消色差超構(gòu)透鏡

在傳統(tǒng)的光學(xué)成像過(guò)程中，一般需要使用復(fù)合透鏡組來(lái)補(bǔ)償色散，而復(fù)合透鏡組的使用使得整個(gè)色散補(bǔ)償系統(tǒng)變得大而笨重。超構(gòu)表面和超構(gòu)器件的出現(xiàn)則為消色差透鏡的設(shè)計(jì)提供了一種有效的解決方案。以圖3（a）所示的反射式近紅外寬帶消色差超構(gòu)透鏡為例，超構(gòu)透鏡表面的納米結(jié)構(gòu)如同一個(gè)個(gè)可以操縱入射光的超構(gòu)原子，充當(dāng)二級(jí)發(fā)射天線波源，產(chǎn)生特殊設(shè)計(jì)的波前，實(shí)現(xiàn)聚焦。

圖3 寬帶消色差超構(gòu)透鏡的設(shè)計(jì)原理

按照?qǐng)D2所示的流程與前述設(shè)計(jì)原理，制作了如圖3（e）所示的寬帶消色差超構(gòu)透鏡。其中，結(jié)構(gòu)單元由金納米棒組成，設(shè)計(jì)數(shù)值孔徑NA為0.268，直徑為55.55 μm。圖3（e）所示為該超構(gòu)透鏡的光學(xué)圖像，該圖像表明透鏡表面不同位置的光學(xué)響應(yīng)不同。

圖3（f）中給出了圖3（e）所示超構(gòu)透鏡的局部放大SEM圖像。從SEM圖像中可以觀察到，不同半徑位置的超構(gòu)原子旋轉(zhuǎn)角度不同，這對(duì)應(yīng)了幾何相位的設(shè)計(jì)。同時(shí)，不同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的超構(gòu)單元也可以從該圖像中分辨出來(lái)。

該消色差超構(gòu)透鏡的表征結(jié)果如圖4所示。焦距測(cè)量的實(shí)驗(yàn)裝置如圖4（a）所示。從圖4（b）、（c）可以發(fā)現(xiàn)，在1200 nm ~ 1680 nm的測(cè)量范圍內(nèi)，測(cè)得焦距f在100 μm左右，與仿真結(jié)果一致，證明該超構(gòu)透鏡具有消色差的能力。此外，在不同NA的設(shè)計(jì)中，測(cè)得的焦距均與仿真結(jié)果一致，保持在設(shè)定焦距附近，進(jìn)一步證明這樣的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則可以廣泛用于寬帶消色差超構(gòu)透鏡的設(shè)計(jì)。

圖4 消色差超構(gòu)透鏡的表征

加工技術(shù)

目前一般有三類成熟的超構(gòu)器件加工方法，分別是直寫(xiě)刻蝕、圖案轉(zhuǎn)移刻蝕和混合圖案刻蝕。需要注意的是，以上三類加工技術(shù)主要用于被動(dòng)光學(xué)超構(gòu)表面的加工制造，主動(dòng)可調(diào)超構(gòu)表面的制造方法則不在本文的討論范圍之內(nèi)。

直寫(xiě)刻蝕技術(shù)

光刻，作為一種已大規(guī)模應(yīng)用于半導(dǎo)體微電子制造的成熟納米加工技術(shù)，具備高產(chǎn)、大尺寸制造和大批量生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)。一般而言，光刻技術(shù)利用聚焦透鏡將光聚焦，以便將光掩模上的幾何圖案轉(zhuǎn)移到對(duì)光敏感的化學(xué)制品——光刻膠上，從而實(shí)現(xiàn)納米尺度的結(jié)構(gòu)制造。由于聚焦光斑的大?。ǚ直媛剩┦艿窖苌錁O限的限制，若需要加工具有精細(xì)結(jié)構(gòu)的超構(gòu)表面，則需要使用具有更短波長(zhǎng)的光源。但是，短波光源也有其缺點(diǎn)，例如容易造成鏡片和掩模的損壞等。為了規(guī)避以上問(wèn)題，可以利用無(wú)掩模直寫(xiě)刻蝕技術(shù)來(lái)制造超構(gòu)器件。無(wú)掩模直寫(xiě)刻蝕技術(shù)的分類及相應(yīng)優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。

表1 直寫(xiě)刻蝕技術(shù)的特性

粒子束刻蝕使用聚焦的高斯粒子束來(lái)產(chǎn)生粒子高度集中的聚焦點(diǎn)，每一次寫(xiě)入并曝光一個(gè)像素點(diǎn)。其中兩個(gè)比較成熟的方法是電子束刻蝕（EBL）和聚焦離子束刻蝕（FIB）。電子束刻蝕以及圖案轉(zhuǎn)移技術(shù)可以根據(jù)其中材料生長(zhǎng)的方式分為“自下而上”和“自上而下”兩種納米結(jié)構(gòu)制造方法。前者采用原子或分子的蒸發(fā)或沉積，輔以后期的剝離步驟，就可以加工出納米級(jí)結(jié)構(gòu)；后者則是指通過(guò)使用刻蝕工藝來(lái)得到納米結(jié)構(gòu)。

Wang等開(kāi)發(fā)了一種“自下而上”的方法來(lái)加工在紅外波段具有寬帶光學(xué)特性的超構(gòu)表面，如圖5（a）所示。第一步，通過(guò)電子槍蒸發(fā)器把金（Au）沉積在硅基襯底上形成一層金鏡；第二步，使用等離激元增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PECVD）將一層二氧化硅沉積到基板上，充當(dāng)介電材料間隔層；第三步，將抗蝕劑層（電子膠）旋涂在準(zhǔn)備好的基板上并在加熱臺(tái)上加熱烘干，再將Espacer旋涂在抗蝕劑層上，而Espacer是一種具有高導(dǎo)電性的有機(jī)聚合物，它可以減少電子束曝光過(guò)程中引起的位置誤差；第四步，通過(guò)電子束曝光和顯影定義超構(gòu)表面的結(jié)構(gòu)圖案；第五步，通過(guò)金屬蒸鍍?cè)俪练e一層金原子；第六步，剝離多余的金屬和抗蝕層，便得到最終所需要的超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)。圖5（b）展示了利用該技術(shù)加工得到的超構(gòu)表面的SEM圖（俯視圖）。

圖5 電子束刻蝕過(guò)程及SEM圖像

此外，提出一種自上而下的超構(gòu)表面加工方法，如圖5（c）所示。第一步，利用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）方法沉積一層未被摻雜的氮化鎵，再利用PECVD方法沉積一層二氧化硅硬掩模；第二步，將抗蝕層旋涂在待加工材料表面；第三步，使用電子束曝光進(jìn)行刻蝕，然后顯影清洗，得到目標(biāo)圖案；第四步，用電子槍蒸發(fā)器涂覆一層鉻（Cr）作為刻蝕硬掩模，并且剝離不需要的抗蝕層和金屬；第五步，通過(guò)反應(yīng)離子刻蝕（RIE）將圖案轉(zhuǎn)移到SiO?層；第六步，將具有圖案的SiO?作為硬掩模層，通過(guò)電感耦合等離子體刻蝕（ICP-RIE）技術(shù)來(lái)刻蝕基板；第七步，用緩沖氧化物刻蝕（BOE）溶液去除SiO?硬掩模層，就可以得到基于氮化鎵的透射式超構(gòu)透鏡。利用SEM得到其俯視圖，如圖5（d）所示。若想利用電子束刻蝕實(shí)現(xiàn)大規(guī)模制造，會(huì)面臨以下的挑戰(zhàn)：1）加工成本高；2）花費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)；3）加工過(guò)程中需要高度穩(wěn)定的環(huán)境；4）由于電子進(jìn)入抗蝕層后會(huì)出現(xiàn)散射，電子束刻蝕的分辨率受到鄰近效應(yīng)的限制。

另一種粒子束刻蝕技術(shù)是聚焦離子束刻蝕。該技術(shù)是用離子束，而不是電子束的一種一步刻蝕工藝，通過(guò)納米精度的濺射技術(shù)對(duì)樣品表面進(jìn)行加工，輔以SEM，可以形成所謂的“雙束系統(tǒng)”，使聚焦離子束刻蝕實(shí)現(xiàn)直接可視化的功能。利用該系統(tǒng)可以同時(shí)觀察和加工樣品的任意指定位置。圖6（a）展示的是利用這種技術(shù)制造的能產(chǎn)生并聚焦渦旋光的超構(gòu)表面SEM圖像。也有研究人員利用該技術(shù)制造可見(jiàn)光全息圖超構(gòu)表面。因?yàn)樵摽涛g技術(shù)的成本高、產(chǎn)量低，故不適用于大面積生產(chǎn)。此外，其在制造過(guò)程中也面臨諸多挑戰(zhàn)，例如橫縱比有限、離子摻雜濃度高、研磨時(shí)間長(zhǎng)導(dǎo)致的樣品漂移，以及在成像和銑削過(guò)程會(huì)造成樣品的損傷。

圖6 直寫(xiě)光刻技術(shù)制備的超構(gòu)表面

探針掃描刻蝕（PSL）是另一種用于納米制造的技術(shù)，它的分辨率由其所采用的AFM技術(shù)決定。它利用探針刮刻在抗蝕劑（刻蝕膠層）上形成所需要的納米圖案，或?qū)⒓{米粒子排列成所需圖案。Jak?i?等提出一種工作在中紅外波段的有負(fù)折射率的超構(gòu)表面，該超構(gòu)表面是通過(guò)探針掃描刻蝕技術(shù)加工的，而表面形貌圖由AFM得到?；贏FM的探針掃描刻蝕系統(tǒng)的主要問(wèn)題是其橫縱比較小——“劃痕”相對(duì)較寬，但高度較小。

為解決納米加工中結(jié)構(gòu)縱橫比小的問(wèn)題，還開(kāi)發(fā)了其他器件，如掃描隧道顯微鏡（STM）和掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡（SNOM）。然而，它們的制造速度慢，價(jià)格高昂。為了實(shí)現(xiàn)批量樣品制造，需要進(jìn)一步改進(jìn)探針掃描刻蝕技術(shù)，使其能用于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。

針對(duì)具有更好靈活性、更高精度、更好均勻性的大面積制造技術(shù)的需求，衍生出兩種基于激光的無(wú)掩模方法——激光直寫(xiě)（LDW）光刻和激光干涉光刻（LIL），這兩種方法均能夠快速且低成本地加工微納米結(jié)構(gòu)。

激光直寫(xiě)光刻利用計(jì)算機(jī)控制的光學(xué)系統(tǒng)，不使用掩模，直接將所需的納米圖案投射到光刻膠上。它不僅能對(duì)那些很難進(jìn)行機(jī)械加工的材料進(jìn)行納米加工，還能加工立體的三維結(jié)構(gòu)——通過(guò)調(diào)節(jié)激光曝光劑量直接在不同的光敏材料（光刻膠）中打印出所需的3D表面輪廓。Guo等利用該工藝設(shè)計(jì)并制造了具有連續(xù)形狀的超構(gòu)表面，抑制了離散系統(tǒng)中產(chǎn)生的相位噪聲，如圖6（b）所示。激光直寫(xiě)加工所用到的材料和系統(tǒng)成本相對(duì)較低，并且可以配合空間光調(diào)制器（SLM）和可調(diào)振鏡的使用來(lái)進(jìn)行大面積、高效率的樣品加工。故激光直寫(xiě)光刻有效地兼顧了加工成本和大面積加工兩個(gè)方面。但是，這種方法的缺點(diǎn)是它不能進(jìn)行批量處理，每個(gè)樣品都要獨(dú)立加工，無(wú)法進(jìn)行批量生產(chǎn)。

為了能用激光來(lái)制備大面積、周期性的納米結(jié)構(gòu)，另一個(gè)可行的做法是利用兩束或多束相干激光束之間的干涉直接產(chǎn)生大面積的周期圖案。利用上述雙光束LIL技術(shù)，可以加工出能實(shí)現(xiàn)線偏振轉(zhuǎn)換的超構(gòu)表面，該超構(gòu)表面由平面橢圓形的等離激元諧振腔陣列組成，如圖6（c）所示。通過(guò)非共面光束多次曝光的激光干涉光刻可以產(chǎn)生更復(fù)雜的周期納米結(jié)構(gòu)。圖6（d）所示即為一種利用正交激光干涉光刻技術(shù)制造的含有二維復(fù)雜納米結(jié)構(gòu)的超構(gòu)表面，這個(gè)器件可作為一個(gè)寬帶的、高效的反射式波束偏振分離器。激光干涉光刻是一種大面積、高效、廉價(jià)、無(wú)掩模的批量生產(chǎn)技術(shù)，但是僅適用于周期性納米圖案的加工。

圖案轉(zhuǎn)移刻蝕

圖像轉(zhuǎn)移刻蝕是為了滿足高產(chǎn)量和大面積制造要求而發(fā)展起來(lái)的一類技術(shù)，其特性如表2所示。本節(jié)將介紹幾種屬于這一范疇的技術(shù)，包括等離激元、納米壓印和自組裝刻蝕。

表2 圖案轉(zhuǎn)移刻蝕的特性

等離激元刻蝕技術(shù)可用于獲得超越衍射極限的深亞波長(zhǎng)分辨率。將介質(zhì)層夾在具有亞波長(zhǎng)納米結(jié)構(gòu)的掩模和光敏電阻涂層襯底之間。垂直入射光在金屬和介質(zhì)界面將激發(fā)自由電子振蕩，產(chǎn)生表面等離激元（SPP）。SPP波能夠?qū)⒐鈭?chǎng)限制在一個(gè)比入射光的波長(zhǎng)小得多的尺度內(nèi)。當(dāng)該結(jié)構(gòu)作為光源出現(xiàn)于光阻涂層基板上時(shí)，可獲得較好的亞波長(zhǎng)特性。帶有銀透鏡的反射等離激元刻蝕結(jié)構(gòu)示意圖如圖7（a）、（b）所示。Luo等使用該技術(shù)制備了各向異性的陣列納米槽超構(gòu)表面。金屬損耗的存在，導(dǎo)致該刻蝕產(chǎn)生的SPP波的傳播距離很小。因此，需要在掩模的下面放置一個(gè)超構(gòu)透鏡，以提高通過(guò)掩模投射到刻蝕膠上的效率，如圖7（c）、（d）所示。由于超構(gòu)透鏡具有負(fù)折射率，這種嵌入超構(gòu)透鏡的SPP刻蝕將使入射光與表面的法線方向形成一個(gè)負(fù)角度。此種刻蝕技術(shù)具有高通量和低成本的優(yōu)點(diǎn)，但分辨率需要進(jìn)一步提高，且目前還無(wú)法制出用于大規(guī)模生產(chǎn)的大面積光掩模。

圖7 等離激元刻蝕技術(shù)的刻蝕結(jié)構(gòu)及SEM圖像

納米壓印刻蝕（NIL）是一種利用機(jī)械變形來(lái)復(fù)制納米結(jié)構(gòu)的技術(shù)。通常的NIL是通過(guò)將納米結(jié)構(gòu)母模壓制在基板上，同時(shí)通過(guò)加熱（即熱NIL）來(lái)固化涂覆在基板的聚合物。當(dāng)模具從基板上分離后，圖案即被轉(zhuǎn)移到聚合物層。熱納米壓印刻蝕已被用于制備混合鈣鈦礦超構(gòu)表面，如圖8（a）、（b）所示；用于制備超薄偏振等離子體超構(gòu)表面，如圖8（c）所示；用于制備高效超寬帶反射器的全介質(zhì)超構(gòu)表面，如圖8（d）所示。

圖8 利用納米壓印刻蝕制備的超構(gòu)表面

還有一種方法是紫外納米壓印刻蝕（UV-NIL），該方法使用旋涂方法覆蓋基板上的液相聚合物。在壓印過(guò)程中，聚合物經(jīng)紫外線輻射后形成聚合物交聯(lián)，將聚合物固化。為此，模具必須采用對(duì)紫外光透明的材料，并能在室溫/低壓印壓力下進(jìn)行加工。Yao等利用UV-NIL技術(shù)實(shí)現(xiàn)了超構(gòu)表面，如圖8（e）所示。該設(shè)計(jì)在可見(jiàn)光到紅外的波段內(nèi)具有單向光傳輸?shù)墓δ埽⑶揖哂休^好的消光效果。圖8（f）所示的用于紅外二氧化碳傳感的超構(gòu)表面熱發(fā)射器也是用UV-NIL技術(shù)制造的，在壓印過(guò)后需利用可溶性UV抗蝕劑進(jìn)行單層剝離。

當(dāng)需要進(jìn)行大面積的納米結(jié)構(gòu)制造時(shí)，可以使用自組裝刻蝕技術(shù)，該技術(shù)具有高效和簡(jiǎn)便的特點(diǎn)。納米球刻蝕（NL）技術(shù)是一種有很大應(yīng)用潛力的自組裝技術(shù)。該技術(shù)將低成本的膠體自組裝聚苯乙烯（PS）球用作硬掩模，與刻蝕或沉積技術(shù)相結(jié)合。如圖9（a）所示，規(guī)則排列的納米球的生成過(guò)程簡(jiǎn)單且成本低廉。聚苯乙烯球在空氣和水界面上自組裝成緊密排列的六角形晶格，然后從容器中緩慢抽出水，將單分子層轉(zhuǎn)移到目標(biāo)基板上。Bonod制出一種在絕緣體上涂覆硅基板（SOI）的介質(zhì)超構(gòu)表面，單層自組裝的PS球在刻蝕過(guò)程中起硬掩模的作用。測(cè)得樣品的反射率對(duì)PS技術(shù)所留下的無(wú)序殘余物不敏感。這是因?yàn)楣柚邪l(fā)生了磁偶極子諧振，而非電偶極子諧振。全介質(zhì)超構(gòu)表面也可以通過(guò)NL工藝在柔性襯底上制作，可用于傳感領(lǐng)域，如圖9（b）、（c）所示。上述柔性襯底由聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）制成，這是因?yàn)樵摼酆衔镌诳梢?jiàn)光波段是透明的，故通常用于承載復(fù)雜的電子系統(tǒng)。

圖9 自組裝刻蝕

傳統(tǒng)的納米球刻蝕迄今為止僅能產(chǎn)生簡(jiǎn)單的周期圖案。為了得到更復(fù)雜的周期性納米結(jié)構(gòu)，研究人員已經(jīng)提出了一些改進(jìn)的納米球刻蝕技術(shù)。陰影納米球刻蝕利用多個(gè)等離子體腐蝕的膠體掩模從多個(gè)角度連續(xù)沉積來(lái)制造更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，如圖9（d）、（e）所示。操縱球體的陰影提供了一種高效的生成周期超構(gòu)表面的新辦法。此外，利用堆疊的兩層聚苯乙烯納米球和金屬沉積掩模的Moiré納米球進(jìn)行刻蝕，可以產(chǎn)生具有Moiré圖案的超構(gòu)表面，如圖9（f）、（g）所示。該超構(gòu)表面具有高旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性，支持多種表面等離子體模式，從而增強(qiáng)了寬帶場(chǎng)?？傊?，納米球刻蝕技術(shù)是一種非常實(shí)用的技術(shù)，可用于大片的基板制備，但存在均勻性不足的問(wèn)題。

混合圖案刻蝕

混合圖案刻蝕是一種結(jié)合上述不同刻蝕方法的技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)具有更復(fù)雜納米結(jié)構(gòu)的超構(gòu)表面制作。混合圖案刻蝕的特性如表3所示，下面將介紹兩種混合圖案的方法。

表3 混合圖案刻蝕的特性

微球投影刻蝕技術(shù)能快速制造周期與準(zhǔn)周期超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)。該技術(shù)把能自組裝的二氧化硅球陣列當(dāng)作膠體微透鏡。這些微透鏡能分別將遠(yuǎn)處的大尺寸掩模所攜帶的圖案投射到涂覆后的基板上。圖10（a）給出一種非周期超構(gòu)表面的制造過(guò)程示意圖。該超構(gòu)表面便是利用硅模板將圖案轉(zhuǎn)移到基板上。這些納米小球僅會(huì)粘附在硅片上填充有聚乙烯亞胺（PEI）的孔內(nèi)，隨后用丁烷噴槍熱分解去除PEI。用聚合物板抓取小球陣列，然后讓其與基板接觸。經(jīng)曝光顯影后，通過(guò)金屬化和剝離或刻蝕實(shí)現(xiàn)圖案轉(zhuǎn)移，利用該方法得到的超構(gòu)表面如圖10（b）所示。

圖10 混合圖案刻蝕與光刻技術(shù)的流程及SEM圖像

該方法能加工尺寸在0.4 μm ~10 μm的結(jié)構(gòu)，符合超構(gòu)表面研究的加工需求；其低成本、快速制造的特征滿足了研究上需要快速驗(yàn)證的需求。

目前，具有傾斜納米柱且能夠保證其緊湊、可擴(kuò)展特性的定向超構(gòu)表面很難實(shí)現(xiàn)大批量、高性價(jià)比生產(chǎn)。圖10（c）所示為一種能大批量便宜生產(chǎn)納米柱的方法，該方法結(jié)合孔掩模膠體刻蝕和非垂直沉積法來(lái)制備定向超構(gòu)表面。首先，將PS球隨機(jī)分散在涂有聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）的基底上，沉積一層金屬薄膜；然后，通過(guò)膠帶剝離去除PS球，以形成孔掩模。從非垂直方向沉積后去除PMMA，便會(huì)形成偏傾斜的納米柱。

圖10（d）顯示了具有面外（z軸方向）不對(duì)稱的傾斜亞波長(zhǎng)金納米柱的等離激元超構(gòu)表面。光入射在該超構(gòu)表面時(shí)會(huì)從這些不對(duì)稱結(jié)構(gòu)上散射，從而產(chǎn)生方向性的光學(xué)響應(yīng)。

需要注意的是，除了以上三類加工方法以外，超構(gòu)表面的圖案也可以通過(guò)光刻獲取，與現(xiàn)有半導(dǎo)體微電子制造的工藝展現(xiàn)出很強(qiáng)的兼容性。Park等使用深紫外（DUV）投影光刻技術(shù)證明可在4 inch（1 inch=2.54 cm）熔融石英晶片上實(shí)現(xiàn)超構(gòu)透鏡加工。圖10（e）給出了利用DUV投影光刻制造超構(gòu)透鏡的流程。首先通過(guò)DUV投影光刻、干刻蝕將圖案轉(zhuǎn)移到鉻。隨后將鉻作為硬掩模，用氟化物氣體作為干刻蝕，得到納米柱結(jié)構(gòu)。這樣的加工工藝實(shí)現(xiàn)了厘米尺寸的光學(xué)超構(gòu)透鏡的制造，如圖10（f）所示。DUV光刻給出了另一種批量生產(chǎn)大尺寸超構(gòu)器件的方法，但存在分辨率較低，且成本較高的缺點(diǎn)。

成像應(yīng)用

偏振的產(chǎn)生與成像

一般來(lái)說(shuō)，光的偏振狀態(tài)可以通過(guò)晶體的雙折射特性獲得，利用兩個(gè)正交偏振分量在傳播時(shí)積累的相位不同改變偏振狀態(tài)。這樣獲得的偏振控制設(shè)備體積通常較大，并受到工作帶寬窄和可選材料有限等的限制。超構(gòu)表面則展現(xiàn)出解決這些問(wèn)題的能力。

圖11（a）所示為利用反射式超構(gòu)表面實(shí)現(xiàn)任意偏振所產(chǎn)生的器件。該器件可將整個(gè)可見(jiàn)光譜內(nèi)的線偏振入射光轉(zhuǎn)化為任意偏振的光束，并能將這些偏振分離開(kāi)。其中，不同偏振的產(chǎn)生可以通過(guò)改變RCP與LCP之間的相位差來(lái)獲得，如圖11（a）的右圖所示。而偏振的分離利用了幾何相位方法，通過(guò)產(chǎn)生不同的空間相位梯度變化來(lái)產(chǎn)生不同的反射角，分離不同偏振狀態(tài)的反射光束。該方法產(chǎn)生的偏振純度極高，能與商業(yè)產(chǎn)品相媲美。

圖11 基于超構(gòu)表面的偏振產(chǎn)生與成像

Yu等利用超構(gòu)表面制作了一種寬帶無(wú)背景散射光的四分之一波片，在寬帶波長(zhǎng)范圍（5 μm ~12 μm）內(nèi)可以產(chǎn)生橢圓度大于0.97的高質(zhì)量圓偏振光，如圖11（b）所示。利用V型天線，他們?cè)O(shè)計(jì)了由兩組指向不同的天線組成的單元，使每個(gè)子單元中對(duì)應(yīng)的偏振散射光（2β-α）滿足（2β1-α）-（2β2-α）=90°的關(guān)系，這就保證了入射光分裂成兩個(gè)正交偏振狀態(tài)。空間相位梯度使得散射光發(fā)生異常反射，從而產(chǎn)生無(wú)背景散射的出射光束。這些正交分量之間的相位延遲與前述設(shè)計(jì)［圖11（a）］相同，均是通過(guò)控制子單元之間的偏移距離來(lái)實(shí)現(xiàn)。

利用具有各向異性光學(xué)響應(yīng)的非對(duì)稱納米天線也可以實(shí)現(xiàn)有四分之一波片功能的超構(gòu)表面，Zhao等和Chen等就分別在可見(jiàn)光和近紅外區(qū)域?qū)崿F(xiàn)了圓偏振到線偏振的轉(zhuǎn)換。此外，超構(gòu)表面也用作半波片，實(shí)現(xiàn)線偏振光的偏振方向轉(zhuǎn)換。

超構(gòu)透鏡在偏振成像應(yīng)用上亦有巨大的優(yōu)勢(shì)，組成超構(gòu)透鏡的納米天線自身即具有偏振相關(guān)的特性，保證了高偏振對(duì)比度的偏振成像。而傳統(tǒng)上利用棱鏡和波片等光學(xué)元件組成的偏振成像系統(tǒng)，不僅設(shè)計(jì)復(fù)雜，而且偏振對(duì)比度較低。

圖11（c）顯示了基于幾何相位設(shè)計(jì)的介質(zhì)超構(gòu)透鏡，該透鏡可以同時(shí)捕獲同一視場(chǎng)內(nèi)生物標(biāo)本的兩個(gè)光譜分辨圖像。幾何相位是手性敏感的，所以可以僅使用單個(gè)超構(gòu)透鏡與相機(jī)組成的成像系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在整個(gè)可見(jiàn)光譜中探測(cè)生物標(biāo)本的圓形二色性。因此，基于超構(gòu)表面的偏振光學(xué)系統(tǒng)中，允許在一對(duì)正交偏振態(tài)上施加兩個(gè)任意且獨(dú)立的相位分布。該方法除了幾何相位外，同時(shí)還利用傳播相位進(jìn)行調(diào)制。

圖11（d）展示了一種由3個(gè)不同的超構(gòu)透鏡組成的小型超構(gòu)器件。該器件可將光分割并聚焦在圖像傳感器的6個(gè)不同像素點(diǎn)上，對(duì)應(yīng)3種不同的偏振態(tài)。該設(shè)備可用來(lái)捕獲復(fù)雜偏振物體的圖像，因此可用作近紅外域的全斯托克斯偏振相機(jī)。Yang等使用類似的方法演示了1550 nm波長(zhǎng)下的廣義Hartmann-Shack偏振光束分析器的功能，該分析器允許同時(shí)測(cè)量光束的相位和空間偏振曲線。該超構(gòu)表面陣列是硅基的，可以使用互補(bǔ)的金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）兼容工藝進(jìn)行批量生產(chǎn)。Yan等利用全介質(zhì)超構(gòu)表面，將實(shí)時(shí)偏振成像拓展到中紅外波長(zhǎng)范圍。Rubin等則將傅里葉光學(xué)的概念拓展到矩陣上，并根據(jù)此概念設(shè)計(jì)了超構(gòu)表面光柵，實(shí)現(xiàn)對(duì)任意偏振的分析。

光場(chǎng)成像與感測(cè)

光場(chǎng)成像可以獲取光場(chǎng)的高維輻射信息。在理想情況下，光場(chǎng)圖像可以提供包括物體的位置、速度和光譜信息在內(nèi)的空間坐標(biāo)。圖12（a）所示為全彩光場(chǎng)成像系統(tǒng)，其中多維光場(chǎng)信息可通過(guò)GaN消色差超構(gòu)透鏡陣列獲取。在傳感平面捕獲的多幅圖像能提供渲染圖像中的深度信息，如圖12（a）左圖所示。在一定時(shí)間范圍內(nèi)獲得的深度信息也可以用來(lái)計(jì)算物體在該范圍內(nèi)的速度。在非相干白光的照射下，利用該陣列系統(tǒng)能對(duì)1951USAF分辨率測(cè)試表進(jìn)行成像，所成圖像能達(dá)到約1.95 μm的衍射極限分辨率，如圖12（a）右圖所示。

圖12 超構(gòu)透鏡光場(chǎng)成像與感測(cè)

Chen等利用3600個(gè)消色差透鏡組成陣列，設(shè)計(jì)了一種緊湊的多功能立體視覺(jué)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)30 cm范圍內(nèi)的深度測(cè)量。如圖12（b）所示，該超構(gòu)透鏡陣列不僅能與上述設(shè)計(jì)一樣，通過(guò)收集光場(chǎng)信息來(lái)實(shí)現(xiàn)深度檢測(cè)，還可以與光源集成，形成有源光學(xué)器件，投射結(jié)構(gòu)光。因此，該器件既可以用于明亮環(huán)境下的光場(chǎng)成像系統(tǒng)，也可以用作黑暗環(huán)境下的結(jié)構(gòu)光投影器件，實(shí)現(xiàn)深度檢測(cè)。兩種方式得到的深度信息都是利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析提取的。此外，Guo等受跳蛛利用多層半透明視網(wǎng)膜實(shí)現(xiàn)深度感知的啟發(fā)，設(shè)計(jì)了一種利用單個(gè)超構(gòu)透鏡提取深度的方法。該方法對(duì)單個(gè)超構(gòu)透鏡進(jìn)行空間復(fù)用，分離透射光，使傳感器能在不同區(qū)域上同時(shí)捕獲具有不同焦散的圖像，使用少量計(jì)算便可從圖像中提取深度。

Fan等利用集成成像捕獲和重建了光場(chǎng)信息，該方法的工作流原理與光場(chǎng)相機(jī)相反。圖12（c）給出了集成成像的工作原理圖，利用算法對(duì)3D場(chǎng)景進(jìn)行編碼并在自由空間中重建光學(xué)圖像。該設(shè)計(jì)中使用與偏振無(wú)關(guān)的氮化硅消色差超構(gòu)透鏡陣列實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)光區(qū)域的重建，以渲染三維場(chǎng)景。該超構(gòu)透鏡陣列可以實(shí)現(xiàn)衍射極限聚焦和白光集成成像，如圖12（d）所示。

超構(gòu)透鏡陣列還可用于光場(chǎng)邊緣成像系統(tǒng)，Chen等利用60×60的GaN超構(gòu)透鏡陣列實(shí)現(xiàn)了400 nm到660 nm波長(zhǎng)范圍的邊緣檢測(cè)，如圖12（e）所示。該設(shè)計(jì)支持一維到三維的邊緣檢測(cè)，能捕獲并計(jì)算物體的所有光場(chǎng)信息，其中三維邊緣檢測(cè)指的是攜帶深度信息的二維邊緣圖像。攜帶深度信息的邊緣圖像可通過(guò)圖像渲染提取。

除以上提到的超構(gòu)透鏡陣列外，單個(gè)超構(gòu)透鏡也可用于輔助確定高度。將超構(gòu)透鏡與圖像傳感器集成，拍攝特定的圖案，即可根據(jù)圖案大小確定深度。例如將超構(gòu)透鏡安裝在無(wú)人機(jī)上，拍攝地面上的特定圖案H，即可測(cè)出無(wú)人機(jī)的高度，并將其用于輔助飛行和降落，如圖12（f）所示。由于超構(gòu)透鏡的質(zhì)量很輕，能顯著降低功耗，故很適合用作微納機(jī)器人、微型飛行器的成像組件。

生物醫(yī)療成像

對(duì)生物體細(xì)胞組織進(jìn)行成像是完成疾病診斷、醫(yī)藥研發(fā)和生物學(xué)研究等的重要一環(huán)。光學(xué)超構(gòu)透鏡有望應(yīng)用到細(xì)胞生物學(xué)研究、臨床治療等場(chǎng)景中，替代由傳統(tǒng)透鏡組成的生物組織成像系統(tǒng)和手術(shù)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)上述設(shè)備的小型化。

光學(xué)超構(gòu)透鏡系統(tǒng)可用于內(nèi)窺鏡成像，獲取臨床上需要的高分辨率光學(xué)圖像。Pahlevaninezhad等將硅基超構(gòu)透鏡集成到內(nèi)窺鏡光學(xué)相干斷層掃描（endoscopic OCT）導(dǎo)管中。該光學(xué)系統(tǒng)無(wú)需復(fù)雜的組件排布，便可實(shí)現(xiàn)近衍射極限的成像。他們能夠使用該內(nèi)窺鏡拍攝果肉的放大圖像，從圖像中可以很容易地分辨不同細(xì)胞，細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)清晰可見(jiàn)。

超構(gòu)透鏡也可集成到顯微鏡上，圖13（a）給出了一種集成GaN超構(gòu)透鏡的光片熒光顯微鏡（LSFM）。該超構(gòu)透鏡能將入射光聚焦為光片的形式，在物鏡光軸方向上提供約5 μm分辨率的熒光圖像。當(dāng)利用該超構(gòu)透鏡照射被熒光標(biāo)記的秀麗隱桿線蟲(chóng)（C. elegans）時(shí)，能得到如圖13（a）中紅色虛線框出的熒光圖像。由于光片的軸向分辨率較高，拍攝的圖像不會(huì)受非目標(biāo)切面細(xì)胞的干擾，具有較低的背景噪聲，有利于清晰地分辨不同細(xì)胞的細(xì)胞核。

圖13 超構(gòu)透鏡在生物醫(yī)療成像領(lǐng)域的應(yīng)用

Luo等提出一種能精準(zhǔn)傳遞光能的方法。該方法利用超構(gòu)表面產(chǎn)生一種特殊的光束，突然自動(dòng)聚焦（AAF）光束，如圖13（b）所示。這種光束在經(jīng)過(guò)超構(gòu)表面與物鏡組成的波前調(diào)制系統(tǒng)后，在傳播過(guò)程中一直呈現(xiàn)出圓環(huán)狀的強(qiáng)度剖面，到達(dá)焦平面以后才會(huì)突然聚焦。因?yàn)楣馐軐?shí)現(xiàn)突然聚焦，故可實(shí)現(xiàn)生物組織指定位置的熒光顯微分析，而不受非目標(biāo)組織的影響。此外，該光束具有遞送能量的特性，還可用來(lái)實(shí)現(xiàn)激光手術(shù)。如圖13（c）左圖所示，當(dāng)開(kāi)始利用AAF光束照射小鼠心臟切片時(shí)，可以觀察到熒光成像及相應(yīng)的熒光強(qiáng)度分布（藍(lán)線），在持續(xù)照射10 min以后，該熒光圖像消失，且熒光強(qiáng)度（紅線）幾乎降為0，這表明該AAF光束確實(shí)具有定點(diǎn)清除病變組織的能力。

Luo等還設(shè)計(jì)了一種可變焦的Moiré超構(gòu)透鏡，該透鏡是一種具有光學(xué)切片能力的熒光顯微透鏡，如圖13（d）所示。該超構(gòu)透鏡由兩片相位互補(bǔ)的超構(gòu)表面組成，通過(guò)旋轉(zhuǎn)超構(gòu)表面，改變相對(duì)角，便可實(shí)現(xiàn)532 nm波長(zhǎng)下從10 mm到125 mm的連續(xù)變焦功能，如圖13（e）所示。當(dāng)利用該系統(tǒng)對(duì)小鼠大腸組織的絨毛進(jìn)行多次切片的熒光成像時(shí)，通過(guò)旋轉(zhuǎn)超構(gòu)表面便能調(diào)控聚焦深度，再輔以HiLo成像算法，便可提取焦平面位置的熒光圖像。該超構(gòu)透鏡還具有遠(yuǎn)心的配置，以提高熒光成像的對(duì)比度。變焦功能也可以利用其他可調(diào)方式實(shí)現(xiàn)，She等將人造肌肉（介電彈性致動(dòng)器）與超構(gòu)透鏡相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了電可調(diào)的變焦超構(gòu)透鏡系統(tǒng)。這樣的設(shè)計(jì)可以應(yīng)用于全自動(dòng)工作的光學(xué)顯微鏡系統(tǒng)。

結(jié)論與展望

總結(jié)了超構(gòu)器件的設(shè)計(jì)流程、加工手段以及在成像上的應(yīng)用。在超構(gòu)器件的設(shè)計(jì)中，需要考慮所選材料的折射率、效率和色散等基本參數(shù)，以決定不同光學(xué)特性的納米結(jié)構(gòu)單元所需的幾何形狀和配置。將這些結(jié)構(gòu)單元存放于數(shù)據(jù)庫(kù)中，根據(jù)不同需求便可隨時(shí)取用合適的單元設(shè)計(jì)，組成功能各異的超構(gòu)器件，隨后進(jìn)行加工和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。而在超構(gòu)器件的加工中，應(yīng)從加工精度、制造面積、制造成本、加工的時(shí)間成本、適用的材料范圍等角度進(jìn)行綜合考慮，從多種工藝中選取合適的加工方法。最后介紹了超構(gòu)器件在成像方面的應(yīng)用。由于許多納米結(jié)構(gòu)本身便具有各向異性的偏振特性，用超構(gòu)表面便可以直接實(shí)現(xiàn)任意偏振的產(chǎn)生與偏振成像，而不需要復(fù)雜的多組件設(shè)計(jì)。受果蠅等動(dòng)物的復(fù)眼的啟發(fā)，可以利用多個(gè)超構(gòu)透鏡組成陣列，實(shí)現(xiàn)光場(chǎng)成像、深度探測(cè)及邊緣檢測(cè)等功能。由于超構(gòu)透鏡通常具有極小的尺寸且厚度可忽略不計(jì)，即使組成陣列的形式，整體的尺寸也仍遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)透鏡，保證超構(gòu)透鏡陣列能在實(shí)際中得到應(yīng)用。此外，超構(gòu)器件極佳的可設(shè)計(jì)任意功能器件的特性使其在生物醫(yī)療等領(lǐng)域也能占據(jù)一席之地。無(wú)論是在高分辨率的內(nèi)窺鏡成像，還是具有任意波前特性的熒光顯微鏡成像中，超構(gòu)器件都能發(fā)揮其作用。

超構(gòu)器件盡管只有十余年的發(fā)展歷史，但其遠(yuǎn)超傳統(tǒng)光學(xué)器件的調(diào)控能力賦予其極大的潛力，許多基于超構(gòu)器件的功能與應(yīng)用尚待探索。例如在成像方面，已經(jīng)出現(xiàn)了利用超構(gòu)透鏡實(shí)現(xiàn)寬視場(chǎng)的設(shè)計(jì)，但這些設(shè)計(jì)均需要雙層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)才能實(shí)現(xiàn)視場(chǎng)的拓寬。在未來(lái)也許能基于單層超構(gòu)透鏡實(shí)現(xiàn)寬視場(chǎng)的設(shè)計(jì)。目前已經(jīng)有大量將超構(gòu)表面用于非線性光學(xué)的研究，但大都將研究范圍局限于紅外和可見(jiàn)光范圍之中。在未來(lái)可以將這些研究拓展到紫外甚至極紫外波長(zhǎng)范圍中，實(shí)現(xiàn)非線性生成、非線性全息、非線性成像等功能。通過(guò)將新的物理機(jī)制引入超構(gòu)表面的設(shè)計(jì)中，如連續(xù)體中的束縛態(tài)（BIC），可以大幅提高非線性等功能的效率，并提供高靈敏度的傳感器。超構(gòu)器件也可以產(chǎn)生光渦，有望用于實(shí)現(xiàn)軌道角動(dòng)量復(fù)用通信系統(tǒng)。此外，超構(gòu)器件也可以用于光的量子態(tài)操縱，在量子計(jì)算、量子通信等領(lǐng)域中展現(xiàn)出很大的潛力。

盡管目前已經(jīng)存在許多納米精度的加工技術(shù)，為滿足科學(xué)研究與商業(yè)應(yīng)用的需求，實(shí)現(xiàn)以上有潛力的應(yīng)用，我們還需要進(jìn)一步完善現(xiàn)有技術(shù)并開(kāi)發(fā)更先進(jìn)的加工方法，以實(shí)現(xiàn)低成本、高產(chǎn)量、大面積、高重復(fù)性及高分辨率的制造。而在超構(gòu)器件的商業(yè)化應(yīng)用中，直接使用現(xiàn)有的DUV/EUV光刻技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)超構(gòu)器件的制造便成為一種可行的方案。如前文所述，超構(gòu)器件的加工工藝與現(xiàn)有半導(dǎo)體微電子制造的工藝展現(xiàn)出很強(qiáng)的兼容性。當(dāng)需要對(duì)超構(gòu)器件進(jìn)行大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)時(shí)，可以利用現(xiàn)有的DUV/EUV光刻技術(shù)，在不開(kāi)發(fā)新生產(chǎn)線的情況下，直接調(diào)整現(xiàn)有生產(chǎn)線，便可投入對(duì)超構(gòu)器件的大規(guī)模生產(chǎn)之中，這大大降低了超構(gòu)器件的生產(chǎn)門檻，有利于對(duì)超構(gòu)器件的大規(guī)模推廣，從而開(kāi)啟光學(xué)超構(gòu)器件及平面光學(xué)領(lǐng)域的新時(shí)代。

審核編輯：劉清