原創(chuàng) 長光所Light中心 中國光學(xué)

推廣位（非商務(wù)）

撰稿 | WHO HOW

01

背景介紹

眾所周知，光線通過小孔之后，可以在另一端的光屏上成像。通過這個(gè)原理，人們發(fā)明了很多有趣的技術(shù)。比較典型的是歐洲文藝復(fù)興時(shí)期的暗箱技術(shù)：

藝術(shù)家們制造出一個(gè)密閉的暗箱，僅從一個(gè)小孔透光。用畫布接受透射光的像，這樣僅需要描摹畫布上的影像，就可以準(zhǔn)確地畫出風(fēng)景和人物。

但是這種技術(shù)有一個(gè)限制，即小孔越小成像越清晰，但暗箱內(nèi)越暗。而小孔越大則暗箱內(nèi)越明亮，但成像模糊。后來，人們?cè)谛】滋幖友b了一塊凸透鏡，凸透鏡使光線會(huì)聚，這樣可以得到更加清晰明亮的影像。隨著科技的進(jìn)步，人們發(fā)現(xiàn)了感光材料。將涂有感光材料的平板掛在透鏡的成像處曝光一段時(shí)間，就可以把影像記錄下來，這便是最早的照相機(jī)。

為了獲得更好更清晰的成像，科學(xué)家和工程師們開始研制性能更加優(yōu)良的透鏡。最開始的鏡頭結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單：如下圖，是1812年英國物理學(xué)家Wollaston發(fā)明的1組1片鏡片結(jié)構(gòu)。

下圖是1821年，法國著名的鏡頭制造商謝瓦利埃（Chevrlier）發(fā)明的1組2片鏡片結(jié)構(gòu)，這種鏡頭可以用來消弭單片鏡頭帶來的色差。

下圖是1840年，奧地利數(shù)學(xué)家匹茲伐教授用數(shù)學(xué)方法設(shè)計(jì)出3組4片的鏡頭，保證了影像中心的高分辨，很好地矯正了球差和彗差。

為了追求更加完美的成像，人們不斷嘗試新的透鏡并設(shè)計(jì)出各種新的透鏡組合。下圖是一些典型的透鏡組合。

然而每一次提升鏡頭的性能，都會(huì)增加鏡頭的復(fù)雜程度。

圖片來源：apple

如上圖是常見的手機(jī)鏡頭的鏡頭組合。由六片特制的透鏡和接收器組成。而事實(shí)上專業(yè)級(jí)的相機(jī)和特種相機(jī)的鏡頭要更為復(fù)雜。

之所以鏡頭的結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，主要原因是人們的要求越來越高，比如高透光率，合適的光圈，有效地控制像差等。

而將視線拉高，俯瞰整個(gè)光學(xué)領(lǐng)域的時(shí)候，人們發(fā)現(xiàn)不僅僅是光學(xué)鏡頭領(lǐng)域，幾乎是在同一時(shí)期的各個(gè)光學(xué)領(lǐng)域內(nèi)，人們都迫切地需要一種簡(jiǎn)便、高效、能夠按照使用者的意愿來調(diào)控光波的光學(xué)材料。

而人們現(xiàn)有的光學(xué)器件，無論是透鏡、反射鏡、還是偏振器等，都是由天然存在的材料制成的。由于這些材料的介電常數(shù)變化范圍非常有限，所以傳統(tǒng)的光學(xué)器件通常需要龐大的尺寸和扭曲的形狀以及復(fù)雜的組合才能勉強(qiáng)滿足使用者的需要。況且，天然材料通常缺乏磁響應(yīng)而導(dǎo)致阻抗不匹配，因此工作效率往往較低。

隨著科技尤其是納米技術(shù)的進(jìn)步，人們可以在原子層面上操縱材料。這為新型光學(xué)材料的發(fā)展帶來了曙光。1999年，由美國德州大學(xué)的Rodger M. Walser教授提出了超構(gòu)材料的概念（metamaterial）指代人工制造，周期性的三維復(fù)合材料。這類由具有特定電磁特性的亞波長人工微結(jié)構(gòu)（人工原子）按一定的排列方式構(gòu)建而成的三維人工復(fù)合材料，展現(xiàn)出了對(duì)電磁波的強(qiáng)大調(diào)控能力，實(shí)現(xiàn)了自然材料無法企及的眾多奇異物理現(xiàn)象和功能性器件，通過仔細(xì)的結(jié)構(gòu)調(diào)整，metamaterial原則上可以設(shè)計(jì)出任意介電常數(shù)ε和磁導(dǎo)率μ，因此產(chǎn)生了許多自然存在的材料無法實(shí)現(xiàn)的波操縱效果。

雖然超構(gòu)材料已經(jīng)取得了輝煌的成果，但是人們并沒有就此心滿意足。在研究人員看來，超材料作為一種3D結(jié)構(gòu)，還是過于復(fù)雜和厚重。光學(xué)材料應(yīng)該還可以更薄，更高效。于是，超構(gòu)表面的概念應(yīng)運(yùn)而生。簡(jiǎn)單來說，超構(gòu)表面可以看作是3D超材料的2D版本，它是由平面亞原子構(gòu)造而成的，這些原子以特定的順序有目的地選擇電磁響應(yīng)。在工作原理上，超構(gòu)表面與超構(gòu)材料截然不同。通常3D 超構(gòu)材料會(huì)通過操縱大體積介質(zhì)內(nèi)部的傳播相位來實(shí)現(xiàn)某些波控制,但超構(gòu)表面在很大程度上利用結(jié)構(gòu)表面上的突變相變來傳輸或反射波。

由于要在納米尺度上操縱材料的微結(jié)構(gòu)，所以現(xiàn)有的超構(gòu)表面制作過程通常耗時(shí)冗長且價(jià)格昂貴。研究人員們?yōu)榱颂岣叱瑯?gòu)表面的性能同時(shí)降低成本，展開了很多研究。

02

研究?jī)?nèi)容

接下來我們要介紹的相位梯度超構(gòu)表面，是眾多超構(gòu)表面材料中的一種，其作用是通過設(shè)計(jì)單元結(jié)構(gòu)的屬性和空間排列，來實(shí)現(xiàn)對(duì)任意入射光和反射光相位分布。這種超構(gòu)表面可以取代諸如透鏡、全息圖、分束器、曲面鏡等大多數(shù)常見的光學(xué)元件。甚至在某些方面，其性能會(huì)大大超過以上傳統(tǒng)光學(xué)元件。

該研究來自查爾姆斯理工大學(xué)，他們提出一種利用電子束抗蝕劑制作相位梯度超構(gòu)表面的簡(jiǎn)便方法，并利用該方法制備出了作用在可見光范圍內(nèi)的高性能平面光學(xué)元件。該方法大大減少了所需的處理時(shí)間和成本，并減少了安全隱患。相關(guān)研究發(fā)表在 ACS Photonics 。

該研究所展示的超構(gòu)材料結(jié)構(gòu)如下圖：

圖1: 掃描電子顯微鏡下的超構(gòu)表面的側(cè)視與俯視圖

圖片來源：ACS Photonics 2020, 7, 4, 885–892(Fig.2)

這種超構(gòu)表面利用了單個(gè)納米鰭片形狀雙折射的性質(zhì)，使其充當(dāng)亞波長半波片的功能。入射的圓偏振光可以翻轉(zhuǎn)成相反的手性。通過改變每個(gè)鰭片相對(duì)于晶格的夾角可以對(duì)交叉極化的透射或反射波施加空間變化的相位分布。假設(shè)與選擇的操作波長相比，晶格常數(shù)小，并且偏振轉(zhuǎn)換效率高，這意味著原則上可以將超構(gòu)表面設(shè)計(jì)為僅通過選擇方向來賦予任意相位輪廓。

2.1

制備

本項(xiàng)研究的實(shí)驗(yàn)步驟相當(dāng)簡(jiǎn)單，僅需要最簡(jiǎn)單的單次電子束曝光即可完成，甚至試驗(yàn)中并不涉及到通常的電子束光刻中需要的金屬沉積和刻蝕等步驟。

圖3：抗蝕劑超構(gòu)表面制作過程與成品

圖片來源：ACS Photonics 2020, 7, 4, 885–892(Fig.1)

2.2

表征

如下圖所示是針對(duì)藍(lán)，綠和紅光優(yōu)化的超構(gòu)表面的模擬和實(shí)驗(yàn)偏振轉(zhuǎn)換效率光譜：

圖4：超構(gòu)表面偏振轉(zhuǎn)換效率模擬（左）與實(shí)驗(yàn)（右）結(jié)果對(duì)比

圖片來源：ACS Photonics 2020, 7, 4, 885–892(Fig.2)

實(shí)驗(yàn)和理論都表明，該超構(gòu)表面在選定的設(shè)計(jì)波長范圍內(nèi)有較寬的工作范圍，盡管由納米鰭片層內(nèi)的衍射耦合引起的晶格模式會(huì)引起相當(dāng)大的光譜效率波動(dòng)。然而，仿真結(jié)果顯示，相對(duì)于納米鰭取向和均相覆蓋率，傳輸效率幾乎與超構(gòu)表面取向無關(guān)。

2.3

應(yīng)用

為了驗(yàn)證這種抗蝕劑超構(gòu)表面的應(yīng)用潛力，研究人員利用該超構(gòu)表面實(shí)現(xiàn)了各種平正透鏡的功能：

圖5：抗蝕劑超構(gòu)表面用于聚焦和成像效果圖

圖片來源：ACS Photonics 2020, 7, 4, 885–892(Fig.3)

針對(duì)藍(lán)光，綠光和紅光使用同樣的納米鰭片設(shè)計(jì)了不同焦距的透鏡。上圖a展示了相位梯度超構(gòu)表面的微結(jié)構(gòu)。圖b展示了其聚焦能力。圖c表明通過該超構(gòu)表面的光沿光軸的強(qiáng)度分布顯示出高斯強(qiáng)度分布。圖d驗(yàn)證了金屬傳感器的極化轉(zhuǎn)換效率與相應(yīng)的相位梯度超構(gòu)表面的結(jié)果相當(dāng)。圖e是該技術(shù)制備的直徑為1 cm的平面透鏡，該超構(gòu)表面透鏡上包含了超過6億個(gè)微結(jié)構(gòu)單元，但是由于制造方法的簡(jiǎn)便性，整個(gè)制造過程僅用時(shí)一個(gè)下午。圖f展示了超構(gòu)表面透鏡的成像能力，將待測(cè)物體放置在成像系統(tǒng)的物平面上（左），用超構(gòu)表面透鏡充當(dāng)顯微鏡物鏡，通過漫射的圓偏振光對(duì)物體進(jìn)行背光照明，并將像投射到屏幕上（右）。如圖所示，生成的圖像非常清晰。

03

結(jié)論與展望

隨著人類對(duì)光學(xué)材料越來越嚴(yán)苛的要求和更多元的使用環(huán)境，自然界現(xiàn)存的材料已經(jīng)不足以滿足我們的需求。因此，超構(gòu)材料的發(fā)展將是一個(gè)不可避免的大趨勢(shì)。不可否認(rèn)，目前超構(gòu)表面還是一個(gè)很年輕的科學(xué)領(lǐng)域，存在著很多不足之處。但隨著科研人員的努力，更多性能優(yōu)良成本低廉的超構(gòu)材料將會(huì)徹底改變?nèi)祟惖纳睢?/p>

正如該研究表明，可以使用現(xiàn)成的電子束抗蝕劑作為唯一的構(gòu)成材料來構(gòu)建光學(xué)超構(gòu)表面。避免了通常在構(gòu)建相位梯度超構(gòu)表面時(shí)所涉及的大部分耗時(shí)，昂貴且有時(shí)有害的加工步驟。產(chǎn)生的超構(gòu)表面是有效的（偏振轉(zhuǎn)換> 50％），并且在整個(gè)可見波長光譜中起作用。

此外，該超構(gòu)表面隨時(shí)間穩(wěn)定，可以放置在自然環(huán)境條件下至少六個(gè)月而沒有任何明顯的降解。關(guān)于穩(wěn)定性，抗蝕劑超構(gòu)表面可承受的溫度高達(dá)100°C，并且可以承受較高的光強(qiáng)。在超構(gòu)表面上涂一層薄的（<10 nm）保形保護(hù)涂層可以改善其熱穩(wěn)定性并稍微增加與周圍環(huán)境的折射率對(duì)比。

最后，這里使用的抗蝕劑也可以通過紫外線光刻法曝光。先進(jìn)的深紫外光刻系統(tǒng)通常會(huì)曝光的圖案要比此處的EBL所曝光的圖案小得多，使用UV光刻技術(shù)來構(gòu)建大規(guī)模的基于聚合物的超構(gòu)表面，可以進(jìn)一步減少了處理時(shí)間，使得平面光學(xué)組件與傳統(tǒng)大體積光學(xué)組件的競(jìng)爭(zhēng)中取得更大的優(yōu)勢(shì)。

可以想象，用電子束抗蝕劑制備出的超構(gòu)材料可以在很大程度上取代傳統(tǒng)的透鏡，那么，可以預(yù)期，用這種薄如蟬翼的超構(gòu)表面材料取代復(fù)雜昂貴的鏡頭指日可待。

文章信息：

該研究成果以" Large-Scale Metasurfaces Made by an Exposed Resist "為題在線發(fā)表在 ACS Photonics 。

論文全文下載地址：

https://doi.org/10.1021/acsphotonics.9b01809

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原標(biāo)題：《超構(gòu)表面：讓光學(xué)鏡頭薄如蟬翼》

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