Light | 追根溯源：超透镜的相位量测

图片来源：Light: Science & Applications

撰稿 | 赵茂雄

透镜在我们生活中扮演了非常重要的角色，涉及我们生活的方方面面。比如手机、相机、眼镜、显微镜、投影仪、摄影无人机、VR和AR虚拟实境等设备都需要很多的透镜。透镜的工作原理是调控光波的相位分布，从而实现对波前的操纵。生活中常见的球面透镜可以有很高的聚焦效率，但是受制造工艺的限制球面透镜很难将尺寸做小或将厚度做薄，并且固有的球差会严重影响透镜的性能。

随着微纳光子学的发展，一种由纳米天线组成的新型光学元件——超透镜(Meta-lens)，由于其出色的光学性能，小型化的体积（可以薄到几百纳米，尺寸小到几十微米），而受到广泛的关注。追根溯源超透镜的本质是利用纳米天线来调控相位，包括传播相位、共振相位和交叉极化导致的几何相位。超透镜实际调控的相位分布会受到材料和制造工艺的限制，实际调控相位分布与理想相位分布的偏差将会影响超透镜的光学性能。因此量测超透镜实际调控的相位分布至关重要。

近日，复旦大学光子晶体课题组和香港理工大学蔡定平教授团队、中山大学董建文教授团队合作。提出一套干涉成像相位测量系统，只需要拍一张照片就可以获得超透镜调控的相位分布。他们通过定量的量测超透镜调控的相位分布，进一步讨论和分析了超透镜的性能。

超透镜作为一种新型的光学元件或装置在先进成像和聚焦上的应用受到广泛的关注。可以通过设计超透镜调控的相位分布，来实现丰富的功能和应用。比如抛物面型的相位分布，可以实现衍射极限的聚焦；利用集成共振单元构建的相位分布会随着波长相应的改变，从而实现消色差；利用偏振依赖的纳米天线，可以实现相位分布随偏振而相应的改变，从而实现偏振编码等功能。

为了表征超透镜的光学性能，光场扫描和成像测试是获取诸如焦距、效率、像差等参数的最常用方法。光场扫描需要拍摄一系列照片是一个耗时的过程。并且所获得的光场分布，其实是超透镜与光学显微测量系统的卷积，这在很大程度上取决于显微光路的品质。显微光路中的光学元件附加的像差和畸变都可能导致测量结果不准确。此外，当所测量的超透镜的光学性质与预期的不同时，很难从没有相位信息的光场扫描数据中找到具体的物理原因或优化解决的方案。毕竟，超透镜是基于相位调控的原理设计的。要定量和全面地分析超透镜的性能，直接测量超透镜调控的相分布是必不可少的解决方案。

本文开发了一套干涉成像相位测量系统，该测量系统基于离轴数字全息技术和数字全息显微技术，只需要拍一张照片就可以获得超透镜调控的相位分布（光路示意图如图1所示）。该系统可以用于测量尺寸小到几十微米的超透镜，无论超透镜设计的相位分布是偏振依赖的还是偏振不依赖的，都可以很好的测量，相位测量精度为0.05 rad。他们设计了两种类型的超透镜，一种是基于几何相位的超透镜（Pancharatnam-Berry-metalens, PB-metalens），另一种是基于传播相位的超透镜（PR-metalens），测量的相位分布和波像差如图1所示。

图1 相位量测的光路和量测结果

他们进一步测量了在不同波长下超透镜调控的相位分布，并根据相位分布获得了超透镜的焦距和特征尺寸R。他们发现，虽然测量的两种超透镜都具有负色差的效应，但是两种超透镜调控的相位分布对波长的敏感性不同。基于几何相位来设计的超透镜，调控的相位只依赖于纳米天线旋转的角度，与波长无关，因此相位分布不会随波长而改变。基于传播相位的来设计的超透镜，由于是利用等效折射率来实现相位的调控，因此材料和结构的色散会使在不同波长下相位分布发生改变，如图2所示。

图2 两种透镜调控的相位分布与波长的依赖关系

基于量测的超透镜调控的相位分布，可以通过后端处理算法反演出经过超透镜后的光场分布。他们利用量测的相位分布，结合角谱法反演出了超透镜的光场分布，如图3所示。通过量测相位分布来获得光场分布的方法相对于传统光场扫描的方法来说，具有以下优点：（1）速度快，测量相位分布只需要获取一次数据，而光场扫描需要多次采集；（2）信噪比高，不会受相机动态范围的限制；（3）可以获得更多的细节信息。

图3 利用量测的相位分布获得的光场分布

图4  超透镜的光学性能指标

基于量测的相位分布，他们进一步获取了超透镜的光瞳函数，点扩散函数（PSF），光学调制传输函数（MTF），斯特列尔率（SR），焦深（DOF）等关键指标。并对测量的超透镜进行了定量的评价，如图4所示。

在超透镜从基础科研领域到工业应用领域的道路上。该系统可以为设计人员优化设计，质量控制人员制定标准以及制造商改善制造工艺提供可靠的信息。

本文的共同第一作者为复旦大学博士研究生赵茂雄、香港理工大学研究助理教授陈沐谷、中山大学博士研究生庄泽鹏，通讯作者为复旦大学石磊教授、资剑教授、中山大学董建文教授和香港理工大学蔡定平教授。合作者包括哈尔滨工业大学肖淑敏教授和复享光学殷海玮博士等。

☞ 本文来源：中科院长春光机所 Light学术出版中心