超构器件的前沿研究与技术发展现状

超构光学为平面光学器件的发展提供了新的思路与方向。超构器件由亚波长人工纳米结构组成，能在二维平面上实现对入射光的振幅、相位和偏振的操纵。研究人员已经发展了多种超构表面技术，将其用于满足各式各样的光学需求。

据麦姆斯咨询报道，近期，香港城市大学的科研团队在《光学学报》期刊上发表了以“超构器件的设计、制造与成像应用”为主题的文章。该文章第一作者为冷柏锐，通讯作者为蔡定平教授。

本文首先回顾了超构器件的前沿研究与技术发展现状，介绍了超构器件的广义设计流程，并以连续宽带消色差超构透镜为例进行逐步说明，帮助读者理解；然后，展示了多种超构器件加工方法，包括直写刻蚀、图案转移刻蚀和混合图案刻蚀等，进一步讨论了超构器件在成像应用中的发展，包括偏振成像、光场成像、光学感测以及生物成像等；最后，进行了总结，并对超构器件未来的发展提出了见解与展望。

设计流程

方法与原理

超构器件设计和制造的一般原理和方法如图2所示。首先需要确定组成超构表面的基本单元——超构原子（meta-atom）或超构分子（meta-molecule）的设计。超构原子的光学特性主要由其纳米结构的几何形状和配置决定，故需要确定用于制造纳米结构的材料的介电常数、磁导率和折射率等，以通过计算仿真得到该结构的色散函数等基本参数。使用商业软件CST、Lumerical和COMSOL Multiphysics等对透射或反射光谱进行仿真计算。通过这样的手段，可以获取各种结构所具有的色散函数、效率、相位和偏振等光学性质。

将这些光学信息与其对应的纳米结构设计存入一个数据库中。随后，根据所设计的超构表面的功能，获取实现该功能所需要的表面相位、振幅或偏振分布。根据该分布，可以从以上数据库中快速选取与之匹配的结构单元。对要求苛刻的光学超构器件来说，在计算和设计中还需要考虑规格和制造的限制。半导体大规模生产过程的关键临界尺寸和经验参数可以帮助判断光学超构器件设计的可行性。在充分了解以上数据和信息之后，才能生成电子束刻蚀所用的光罩布局或用于大规模纳米制造的光刻掩模。使用微米或纳米光学光谱的实验光谱测量可以对超构原子或超构分子的实际功能进行验证。可以使用透射电子显微镜（TEM）、扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）和近场扫描光学显微镜（NSOM）等实现对纳米结构、超构表面和超构器件的表征。此外，使用光学测试和测量来检查超构器件的参数也是重要的一步。

图2 超构器件的设计、制造和测试流程

光学宽带消色差超构透镜

在传统的光学成像过程中，一般需要使用复合透镜组来补偿色散，而复合透镜组的使用使得整个色散补偿系统变得大而笨重。超构表面和超构器件的出现则为消色差透镜的设计提供了一种有效的解决方案。以图3（a）所示的反射式近红外宽带消色差超构透镜为例，超构透镜表面的纳米结构如同一个个可以操纵入射光的超构原子，充当二级发射天线波源，产生特殊设计的波前，实现聚焦。

图3 宽带消色差超构透镜的设计原理

按照图2所示的流程与前述设计原理，制作了如图3（e）所示的宽带消色差超构透镜。其中，结构单元由金纳米棒组成，设计数值孔径NA为0.268，直径为55.55 μm。图3（e）所示为该超构透镜的光学图像，该图像表明透镜表面不同位置的光学响应不同。

图3（f）中给出了图3（e）所示超构透镜的局部放大SEM图像。从SEM图像中可以观察到，不同半径位置的超构原子旋转角度不同，这对应了几何相位的设计。同时，不同结构设计的超构单元也可以从该图像中分辨出来。

该消色差超构透镜的表征结果如图4所示。焦距测量的实验装置如图4（a）所示。从图4（b）、（c）可以发现，在1200 nm ~ 1680 nm的测量范围内，测得焦距f在100 μm左右，与仿真结果一致，证明该超构透镜具有消色差的能力。此外，在不同NA的设计中，测得的焦距均与仿真结果一致，保持在设定焦距附近，进一步证明这样的设计准则可以广泛用于宽带消色差超构透镜的设计。

图4 消色差超构透镜的表征

加工技术

目前一般有三类成熟的超构器件加工方法，分别是直写刻蚀、图案转移刻蚀和混合图案刻蚀。需要注意的是，以上三类加工技术主要用于被动光学超构表面的加工制造，主动可调超构表面的制造方法则不在本文的讨论范围之内。

直写刻蚀技术

光刻，作为一种已大规模应用于半导体微电子制造的成熟纳米加工技术，具备高产、大尺寸制造和大批量生产的优点。一般而言，光刻技术利用聚焦透镜将光聚焦，以便将光掩模上的几何图案转移到对光敏感的化学制品——光刻胶上，从而实现纳米尺度的结构制造。由于聚焦光斑的大小（分辨率）受到衍射极限的限制，若需要加工具有精细结构的超构表面，则需要使用具有更短波长的光源。但是，短波光源也有其缺点，例如容易造成镜片和掩模的损坏等。为了规避以上问题，可以利用无掩模直写刻蚀技术来制造超构器件。无掩模直写刻蚀技术的分类及相应优缺点如表1所示。

表1 直写刻蚀技术的特性

粒子束刻蚀使用聚焦的高斯粒子束来产生粒子高度集中的聚焦点，每一次写入并曝光一个像素点。其中两个比较成熟的方法是电子束刻蚀（EBL）和聚焦离子束刻蚀（FIB）。电子束刻蚀以及图案转移技术可以根据其中材料生长的方式分为“自下而上”和“自上而下”两种纳米结构制造方法。前者采用原子或分子的蒸发或沉积，辅以后期的剥离步骤，就可以加工出纳米级结构；后者则是指通过使用刻蚀工艺来得到纳米结构。

Wang等开发了一种“自下而上”的方法来加工在红外波段具有宽带光学特性的超构表面，如图5（a）所示。第一步，通过电子枪蒸发器把金（Au）沉积在硅基衬底上形成一层金镜；第二步，使用等离激元增强化学气相沉积（PECVD）将一层二氧化硅沉积到基板上，充当介电材料间隔层；第三步，将抗蚀剂层（电子胶）旋涂在准备好的基板上并在加热台上加热烘干，再将Espacer旋涂在抗蚀剂层上，而Espacer是一种具有高导电性的有机聚合物，它可以减少电子束曝光过程中引起的位置误差；第四步，通过电子束曝光和显影定义超构表面的结构图案；第五步，通过金属蒸镀再沉积一层金原子；第六步，剥离多余的金属和抗蚀层，便得到最终所需要的超构表面结构。图5（b）展示了利用该技术加工得到的超构表面的SEM图（俯视图）。

图5 电子束刻蚀过程及SEM图像

此外，提出一种自上而下的超构表面加工方法，如图5（c）所示。第一步，利用金属有机化学气相沉积（MOCVD）方法沉积一层未被掺杂的氮化镓，再利用PECVD方法沉积一层二氧化硅硬掩模；第二步，将抗蚀层旋涂在待加工材料表面；第三步，使用电子束曝光进行刻蚀，然后显影清洗，得到目标图案；第四步，用电子枪蒸发器涂覆一层铬（Cr）作为刻蚀硬掩模，并且剥离不需要的抗蚀层和金属；第五步，通过反应离子刻蚀（RIE）将图案转移到SiO₂层；第六步，将具有图案的SiO₂作为硬掩模层，通过电感耦合等离子体刻蚀（ICP-RIE）技术来刻蚀基板；第七步，用缓冲氧化物刻蚀（BOE）溶液去除SiO₂硬掩模层，就可以得到基于氮化镓的透射式超构透镜。利用SEM得到其俯视图，如图5（d）所示。若想利用电子束刻蚀实现大规模制造，会面临以下的挑战：1）加工成本高；2）花费时间长；3）加工过程中需要高度稳定的环境；4）由于电子进入抗蚀层后会出现散射，电子束刻蚀的分辨率受到邻近效应的限制。

另一种粒子束刻蚀技术是聚焦离子束刻蚀。该技术是用离子束，而不是电子束的一种一步刻蚀工艺，通过纳米精度的溅射技术对样品表面进行加工，辅以SEM，可以形成所谓的“双束系统”，使聚焦离子束刻蚀实现直接可视化的功能。利用该系统可以同时观察和加工样品的任意指定位置。图6（a）展示的是利用这种技术制造的能产生并聚焦涡旋光的超构表面SEM图像。也有研究人员利用该技术制造可见光全息图超构表面。因为该刻蚀技术的成本高、产量低，故不适用于大面积生产。此外，其在制造过程中也面临诸多挑战，例如横纵比有限、离子掺杂浓度高、研磨时间长导致的样品漂移，以及在成像和铣削过程会造成样品的损伤。

图6 直写光刻技术制备的超构表面

探针扫描刻蚀（PSL）是另一种用于纳米制造的技术，它的分辨率由其所采用的AFM技术决定。它利用探针刮刻在抗蚀剂（刻蚀胶层）上形成所需要的纳米图案，或将纳米粒子排列成所需图案。Jakšić等提出一种工作在中红外波段的有负折射率的超构表面，该超构表面是通过探针扫描刻蚀技术加工的，而表面形貌图由AFM得到。基于AFM的探针扫描刻蚀系统的主要问题是其横纵比较小——“划痕”相对较宽，但高度较小。

为解决纳米加工中结构纵横比小的问题，还开发了其他器件，如扫描隧道显微镜（STM）和扫描近场光学显微镜（SNOM）。然而，它们的制造速度慢，价格高昂。为了实现批量样品制造，需要进一步改进探针扫描刻蚀技术，使其能用于大规模工业生产。

针对具有更好灵活性、更高精度、更好均匀性的大面积制造技术的需求，衍生出两种基于激光的无掩模方法——激光直写（LDW）光刻和激光干涉光刻（LIL），这两种方法均能够快速且低成本地加工微纳米结构。

激光直写光刻利用计算机控制的光学系统，不使用掩模，直接将所需的纳米图案投射到光刻胶上。它不仅能对那些很难进行机械加工的材料进行纳米加工，还能加工立体的三维结构——通过调节激光曝光剂量直接在不同的光敏材料（光刻胶）中打印出所需的3D表面轮廓。Guo等利用该工艺设计并制造了具有连续形状的超构表面，抑制了离散系统中产生的相位噪声，如图6（b）所示。激光直写加工所用到的材料和系统成本相对较低，并且可以配合空间光调制器（SLM）和可调振镜的使用来进行大面积、高效率的样品加工。故激光直写光刻有效地兼顾了加工成本和大面积加工两个方面。但是，这种方法的缺点是它不能进行批量处理，每个样品都要独立加工，无法进行批量生产。

为了能用激光来制备大面积、周期性的纳米结构，另一个可行的做法是利用两束或多束相干激光束之间的干涉直接产生大面积的周期图案。利用上述双光束LIL技术，可以加工出能实现线偏振转换的超构表面，该超构表面由平面椭圆形的等离激元谐振腔阵列组成，如图6（c）所示。通过非共面光束多次曝光的激光干涉光刻可以产生更复杂的周期纳米结构。图6（d）所示即为一种利用正交激光干涉光刻技术制造的含有二维复杂纳米结构的超构表面，这个器件可作为一个宽带的、高效的反射式波束偏振分离器。激光干涉光刻是一种大面积、高效、廉价、无掩模的批量生产技术，但是仅适用于周期性纳米图案的加工。

图案转移刻蚀

图像转移刻蚀是为了满足高产量和大面积制造要求而发展起来的一类技术，其特性如表2所示。本节将介绍几种属于这一范畴的技术，包括等离激元、纳米压印和自组装刻蚀。

表2 图案转移刻蚀的特性

等离激元刻蚀技术可用于获得超越衍射极限的深亚波长分辨率。将介质层夹在具有亚波长纳米结构的掩模和光敏电阻涂层衬底之间。垂直入射光在金属和介质界面将激发自由电子振荡，产生表面等离激元（SPP）。SPP波能够将光场限制在一个比入射光的波长小得多的尺度内。当该结构作为光源出现于光阻涂层基板上时，可获得较好的亚波长特性。带有银透镜的反射等离激元刻蚀结构示意图如图7（a）、（b）所示。Luo等使用该技术制备了各向异性的阵列纳米槽超构表面。金属损耗的存在，导致该刻蚀产生的SPP波的传播距离很小。因此，需要在掩模的下面放置一个超构透镜，以提高通过掩模投射到刻蚀胶上的效率，如图7（c）、（d）所示。由于超构透镜具有负折射率，这种嵌入超构透镜的SPP刻蚀将使入射光与表面的法线方向形成一个负角度。此种刻蚀技术具有高通量和低成本的优点，但分辨率需要进一步提高，且目前还无法制出用于大规模生产的大面积光掩模。

图7 等离激元刻蚀技术的刻蚀结构及SEM图像

纳米压印刻蚀（NIL）是一种利用机械变形来复制纳米结构的技术。通常的NIL是通过将纳米结构母模压制在基板上，同时通过加热（即热NIL）来固化涂覆在基板的聚合物。当模具从基板上分离后，图案即被转移到聚合物层。热纳米压印刻蚀已被用于制备混合钙钛矿超构表面，如图8（a）、（b）所示；用于制备超薄偏振等离子体超构表面，如图8（c）所示；用于制备高效超宽带反射器的全介质超构表面，如图8（d）所示。

图8 利用纳米压印刻蚀制备的超构表面

还有一种方法是紫外纳米压印刻蚀（UV-NIL），该方法使用旋涂方法覆盖基板上的液相聚合物。在压印过程中，聚合物经紫外线辐射后形成聚合物交联，将聚合物固化。为此，模具必须采用对紫外光透明的材料，并能在室温/低压印压力下进行加工。Yao等利用UV-NIL技术实现了超构表面，如图8（e）所示。该设计在可见光到红外的波段内具有单向光传输的功能，并且具有较好的消光效果。图8（f）所示的用于红外二氧化碳传感的超构表面热发射器也是用UV-NIL技术制造的，在压印过后需利用可溶性UV抗蚀剂进行单层剥离。

当需要进行大面积的纳米结构制造时，可以使用自组装刻蚀技术，该技术具有高效和简便的特点。纳米球刻蚀（NL）技术是一种有很大应用潜力的自组装技术。该技术将低成本的胶体自组装聚苯乙烯（PS）球用作硬掩模，与刻蚀或沉积技术相结合。如图9（a）所示，规则排列的纳米球的生成过程简单且成本低廉。聚苯乙烯球在空气和水界面上自组装成紧密排列的六角形晶格，然后从容器中缓慢抽出水，将单分子层转移到目标基板上。Bonod制出一种在绝缘体上涂覆硅基板（SOI）的介质超构表面，单层自组装的PS球在刻蚀过程中起硬掩模的作用。测得样品的反射率对PS技术所留下的无序残余物不敏感。这是因为硅柱中发生了磁偶极子谐振，而非电偶极子谐振。全介质超构表面也可以通过NL工艺在柔性衬底上制作，可用于传感领域，如图9（b）、（c）所示。上述柔性衬底由聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）制成，这是因为该聚合物在可见光波段是透明的，故通常用于承载复杂的电子系统。

图9 自组装刻蚀

传统的纳米球刻蚀迄今为止仅能产生简单的周期图案。为了得到更复杂的周期性纳米结构，研究人员已经提出了一些改进的纳米球刻蚀技术。阴影纳米球刻蚀利用多个等离子体腐蚀的胶体掩模从多个角度连续沉积来制造更复杂的结构，如图9（d）、（e）所示。操纵球体的阴影提供了一种高效的生成周期超构表面的新办法。此外，利用堆叠的两层聚苯乙烯纳米球和金属沉积掩模的Moiré纳米球进行刻蚀，可以产生具有Moiré图案的超构表面，如图9（f）、（g）所示。该超构表面具有高旋转对称性，支持多种表面等离子体模式，从而增强了宽带场。总之，纳米球刻蚀技术是一种非常实用的技术，可用于大片的基板制备，但存在均匀性不足的问题。

混合图案刻蚀

混合图案刻蚀是一种结合上述不同刻蚀方法的技术，能实现具有更复杂纳米结构的超构表面制作。混合图案刻蚀的特性如表3所示，下面将介绍两种混合图案的方法。

表3 混合图案刻蚀的特性

微球投影刻蚀技术能快速制造周期与准周期超构表面结构。该技术把能自组装的二氧化硅球阵列当作胶体微透镜。这些微透镜能分别将远处的大尺寸掩模所携带的图案投射到涂覆后的基板上。图10（a）给出一种非周期超构表面的制造过程示意图。该超构表面便是利用硅模板将图案转移到基板上。这些纳米小球仅会粘附在硅片上填充有聚乙烯亚胺（PEI）的孔内，随后用丁烷喷枪热分解去除PEI。用聚合物板抓取小球阵列，然后让其与基板接触。经曝光显影后，通过金属化和剥离或刻蚀实现图案转移，利用该方法得到的超构表面如图10（b）所示。

图10 混合图案刻蚀与光刻技术的流程及SEM图像

该方法能加工尺寸在0.4 μm ~10 μm的结构，符合超构表面研究的加工需求；其低成本、快速制造的特征满足了研究上需要快速验证的需求。

目前，具有倾斜纳米柱且能够保证其紧凑、可扩展特性的定向超构表面很难实现大批量、高性价比生产。图10（c）所示为一种能大批量便宜生产纳米柱的方法，该方法结合孔掩模胶体刻蚀和非垂直沉积法来制备定向超构表面。首先，将PS球随机分散在涂有聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）的基底上，沉积一层金属薄膜；然后，通过胶带剥离去除PS球，以形成孔掩模。从非垂直方向沉积后去除PMMA，便会形成偏倾斜的纳米柱。

图10（d）显示了具有面外（z轴方向）不对称的倾斜亚波长金纳米柱的等离激元超构表面。光入射在该超构表面时会从这些不对称结构上散射，从而产生方向性的光学响应。

需要注意的是，除了以上三类加工方法以外，超构表面的图案也可以通过光刻获取，与现有半导体微电子制造的工艺展现出很强的兼容性。Park等使用深紫外（DUV）投影光刻技术证明可在4 inch（1 inch=2.54 cm）熔融石英晶片上实现超构透镜加工。图10（e）给出了利用DUV投影光刻制造超构透镜的流程。首先通过DUV投影光刻、干刻蚀将图案转移到铬。随后将铬作为硬掩模，用氟化物气体作为干刻蚀，得到纳米柱结构。这样的加工工艺实现了厘米尺寸的光学超构透镜的制造，如图10（f）所示。DUV光刻给出了另一种批量生产大尺寸超构器件的方法，但存在分辨率较低，且成本较高的缺点。

成像应用

偏振的产生与成像

一般来说，光的偏振状态可以通过晶体的双折射特性获得，利用两个正交偏振分量在传播时积累的相位不同改变偏振状态。这样获得的偏振控制设备体积通常较大，并受到工作带宽窄和可选材料有限等的限制。超构表面则展现出解决这些问题的能力。

图11（a）所示为利用反射式超构表面实现任意偏振所产生的器件。该器件可将整个可见光谱内的线偏振入射光转化为任意偏振的光束，并能将这些偏振分离开。其中，不同偏振的产生可以通过改变RCP与LCP之间的相位差来获得，如图11（a）的右图所示。而偏振的分离利用了几何相位方法，通过产生不同的空间相位梯度变化来产生不同的反射角，分离不同偏振状态的反射光束。该方法产生的偏振纯度极高，能与商业产品相媲美。

图11 基于超构表面的偏振产生与成像

Yu等利用超构表面制作了一种宽带无背景散射光的四分之一波片，在宽带波长范围（5 μm ~12 μm）内可以产生椭圆度大于0.97的高质量圆偏振光，如图11（b）所示。利用V型天线，他们设计了由两组指向不同的天线组成的单元，使每个子单元中对应的偏振散射光（2β-α）满足（2β1-α）-（2β2-α）=90°的关系，这就保证了入射光分裂成两个正交偏振状态。空间相位梯度使得散射光发生异常反射，从而产生无背景散射的出射光束。这些正交分量之间的相位延迟与前述设计［图11（a）］相同，均是通过控制子单元之间的偏移距离来实现。

利用具有各向异性光学响应的非对称纳米天线也可以实现有四分之一波片功能的超构表面，Zhao等和Chen等就分别在可见光和近红外区域实现了圆偏振到线偏振的转换。此外，超构表面也用作半波片，实现线偏振光的偏振方向转换。

超构透镜在偏振成像应用上亦有巨大的优势，组成超构透镜的纳米天线自身即具有偏振相关的特性，保证了高偏振对比度的偏振成像。而传统上利用棱镜和波片等光学元件组成的偏振成像系统，不仅设计复杂，而且偏振对比度较低。

图11（c）显示了基于几何相位设计的介质超构透镜，该透镜可以同时捕获同一视场内生物标本的两个光谱分辨图像。几何相位是手性敏感的，所以可以仅使用单个超构透镜与相机组成的成像系统，实现在整个可见光谱中探测生物标本的圆形二色性。因此，基于超构表面的偏振光学系统中，允许在一对正交偏振态上施加两个任意且独立的相位分布。该方法除了几何相位外，同时还利用传播相位进行调制。

图11（d）展示了一种由3个不同的超构透镜组成的小型超构器件。该器件可将光分割并聚焦在图像传感器的6个不同像素点上，对应3种不同的偏振态。该设备可用来捕获复杂偏振物体的图像，因此可用作近红外域的全斯托克斯偏振相机。Yang等使用类似的方法演示了1550 nm波长下的广义Hartmann-Shack偏振光束分析器的功能，该分析器允许同时测量光束的相位和空间偏振曲线。该超构表面阵列是硅基的，可以使用互补的金属氧化物半导体（CMOS）兼容工艺进行批量生产。Yan等利用全介质超构表面，将实时偏振成像拓展到中红外波长范围。Rubin等则将傅里叶光学的概念拓展到矩阵上，并根据此概念设计了超构表面光栅，实现对任意偏振的分析。

光场成像与感测

光场成像可以获取光场的高维辐射信息。在理想情况下，光场图像可以提供包括物体的位置、速度和光谱信息在内的空间坐标。图12（a）所示为全彩光场成像系统，其中多维光场信息可通过GaN消色差超构透镜阵列获取。在传感平面捕获的多幅图像能提供渲染图像中的深度信息，如图12（a）左图所示。在一定时间范围内获得的深度信息也可以用来计算物体在该范围内的速度。在非相干白光的照射下，利用该阵列系统能对1951USAF分辨率测试表进行成像，所成图像能达到约1.95 μm的衍射极限分辨率，如图12（a）右图所示。

图12 超构透镜光场成像与感测

Chen等利用3600个消色差透镜组成阵列，设计了一种紧凑的多功能立体视觉系统，实现对30 cm范围内的深度测量。如图12（b）所示，该超构透镜阵列不仅能与上述设计一样，通过收集光场信息来实现深度检测，还可以与光源集成，形成有源光学器件，投射结构光。因此，该器件既可以用于明亮环境下的光场成像系统，也可以用作黑暗环境下的结构光投影器件，实现深度检测。两种方式得到的深度信息都是利用卷积神经网络分析提取的。此外，Guo等受跳蛛利用多层半透明视网膜实现深度感知的启发，设计了一种利用单个超构透镜提取深度的方法。该方法对单个超构透镜进行空间复用，分离透射光，使传感器能在不同区域上同时捕获具有不同焦散的图像，使用少量计算便可从图像中提取深度。

Fan等利用集成成像捕获和重建了光场信息，该方法的工作流原理与光场相机相反。图12（c）给出了集成成像的工作原理图，利用算法对3D场景进行编码并在自由空间中重建光学图像。该设计中使用与偏振无关的氮化硅消色差超构透镜阵列实现可见光区域的重建，以渲染三维场景。该超构透镜阵列可以实现衍射极限聚焦和白光集成成像，如图12（d）所示。

超构透镜阵列还可用于光场边缘成像系统，Chen等利用60×60的GaN超构透镜阵列实现了400 nm到660 nm波长范围的边缘检测，如图12（e）所示。该设计支持一维到三维的边缘检测，能捕获并计算物体的所有光场信息，其中三维边缘检测指的是携带深度信息的二维边缘图像。携带深度信息的边缘图像可通过图像渲染提取。

除以上提到的超构透镜阵列外，单个超构透镜也可用于辅助确定高度。将超构透镜与图像传感器集成，拍摄特定的图案，即可根据图案大小确定深度。例如将超构透镜安装在无人机上，拍摄地面上的特定图案H，即可测出无人机的高度，并将其用于辅助飞行和降落，如图12（f）所示。由于超构透镜的质量很轻，能显著降低功耗，故很适合用作微纳机器人、微型飞行器的成像组件。

生物医疗成像

对生物体细胞组织进行成像是完成疾病诊断、医药研发和生物学研究等的重要一环。光学超构透镜有望应用到细胞生物学研究、临床治疗等场景中，替代由传统透镜组成的生物组织成像系统和手术设备，实现上述设备的小型化。

光学超构透镜系统可用于内窥镜成像，获取临床上需要的高分辨率光学图像。Pahlevaninezhad等将硅基超构透镜集成到内窥镜光学相干断层扫描（endoscopic OCT）导管中。该光学系统无需复杂的组件排布，便可实现近衍射极限的成像。他们能够使用该内窥镜拍摄果肉的放大图像，从图像中可以很容易地分辨不同细胞，细胞壁结构清晰可见。

超构透镜也可集成到显微镜上，图13（a）给出了一种集成GaN超构透镜的光片荧光显微镜（LSFM）。该超构透镜能将入射光聚焦为光片的形式，在物镜光轴方向上提供约5 μm分辨率的荧光图像。当利用该超构透镜照射被荧光标记的秀丽隐杆线虫（C. elegans）时，能得到如图13（a）中红色虚线框出的荧光图像。由于光片的轴向分辨率较高，拍摄的图像不会受非目标切面细胞的干扰，具有较低的背景噪声，有利于清晰地分辨不同细胞的细胞核。

图13 超构透镜在生物医疗成像领域的应用

Luo等提出一种能精准传递光能的方法。该方法利用超构表面产生一种特殊的光束，突然自动聚焦（AAF）光束，如图13（b）所示。这种光束在经过超构表面与物镜组成的波前调制系统后，在传播过程中一直呈现出圆环状的强度剖面，到达焦平面以后才会突然聚焦。因为光束能实现突然聚焦，故可实现生物组织指定位置的荧光显微分析，而不受非目标组织的影响。此外，该光束具有递送能量的特性，还可用来实现激光手术。如图13（c）左图所示，当开始利用AAF光束照射小鼠心脏切片时，可以观察到荧光成像及相应的荧光强度分布（蓝线），在持续照射10 min以后，该荧光图像消失，且荧光强度（红线）几乎降为0，这表明该AAF光束确实具有定点清除病变组织的能力。

Luo等还设计了一种可变焦的Moiré超构透镜，该透镜是一种具有光学切片能力的荧光显微透镜，如图13（d）所示。该超构透镜由两片相位互补的超构表面组成，通过旋转超构表面，改变相对角，便可实现532 nm波长下从10 mm到125 mm的连续变焦功能，如图13（e）所示。当利用该系统对小鼠大肠组织的绒毛进行多次切片的荧光成像时，通过旋转超构表面便能调控聚焦深度，再辅以HiLo成像算法，便可提取焦平面位置的荧光图像。该超构透镜还具有远心的配置，以提高荧光成像的对比度。变焦功能也可以利用其他可调方式实现，She等将人造肌肉（介电弹性致动器）与超构透镜相结合，实现了电可调的变焦超构透镜系统。这样的设计可以应用于全自动工作的光学显微镜系统。

结论与展望

总结了超构器件的设计流程、加工手段以及在成像上的应用。在超构器件的设计中，需要考虑所选材料的折射率、效率和色散等基本参数，以决定不同光学特性的纳米结构单元所需的几何形状和配置。将这些结构单元存放于数据库中，根据不同需求便可随时取用合适的单元设计，组成功能各异的超构器件，随后进行加工和实验验证。而在超构器件的加工中，应从加工精度、制造面积、制造成本、加工的时间成本、适用的材料范围等角度进行综合考虑，从多种工艺中选取合适的加工方法。最后介绍了超构器件在成像方面的应用。由于许多纳米结构本身便具有各向异性的偏振特性，用超构表面便可以直接实现任意偏振的产生与偏振成像，而不需要复杂的多组件设计。受果蝇等动物的复眼的启发，可以利用多个超构透镜组成阵列，实现光场成像、深度探测及边缘检测等功能。由于超构透镜通常具有极小的尺寸且厚度可忽略不计，即使组成阵列的形式，整体的尺寸也仍远小于传统透镜，保证超构透镜阵列能在实际中得到应用。此外，超构器件极佳的可设计任意功能器件的特性使其在生物医疗等领域也能占据一席之地。无论是在高分辨率的内窥镜成像，还是具有任意波前特性的荧光显微镜成像中，超构器件都能发挥其作用。

超构器件尽管只有十余年的发展历史，但其远超传统光学器件的调控能力赋予其极大的潜力，许多基于超构器件的功能与应用尚待探索。例如在成像方面，已经出现了利用超构透镜实现宽视场的设计，但这些设计均需要双层结构的设计才能实现视场的拓宽。在未来也许能基于单层超构透镜实现宽视场的设计。目前已经有大量将超构表面用于非线性光学的研究，但大都将研究范围局限于红外和可见光范围之中。在未来可以将这些研究拓展到紫外甚至极紫外波长范围中，实现非线性生成、非线性全息、非线性成像等功能。通过将新的物理机制引入超构表面的设计中，如连续体中的束缚态（BIC），可以大幅提高非线性等功能的效率，并提供高灵敏度的传感器。超构器件也可以产生光涡，有望用于实现轨道角动量复用通信系统。此外，超构器件也可以用于光的量子态操纵，在量子计算、量子通信等领域中展现出很大的潜力。

尽管目前已经存在许多纳米精度的加工技术，为满足科学研究与商业应用的需求，实现以上有潜力的应用，我们还需要进一步完善现有技术并开发更先进的加工方法，以实现低成本、高产量、大面积、高重复性及高分辨率的制造。而在超构器件的商业化应用中，直接使用现有的DUV/EUV光刻技术来实现超构器件的制造便成为一种可行的方案。如前文所述，超构器件的加工工艺与现有半导体微电子制造的工艺展现出很强的兼容性。当需要对超构器件进行大规模商业化生产时，可以利用现有的DUV/EUV光刻技术，在不开发新生产线的情况下，直接调整现有生产线，便可投入对超构器件的大规模生产之中，这大大降低了超构器件的生产门槛，有利于对超构器件的大规模推广，从而开启光学超构器件及平面光学领域的新时代。

审核编辑：刘清