李奧凌，段輝高，3，賈紅輝，李建華，胡躍強(qiáng)，2*

（1. 湖南大學(xué) 機(jī)械與運載工程學(xué)院 國家高效磨削工程技術(shù)研究中心，湖南 長沙 410082；2. 湖南大學(xué) 深圳研究院 微納光學(xué)器件先進(jìn)制造實驗室，廣東 深圳 518000；3. 湖南大學(xué) 粵港澳大灣區(qū)創(chuàng)新研究院（廣州增城），廣東 廣州 511300；4. 試驗物理與計算數(shù)學(xué)國家級重點實驗室，北京 100076）

1 引 言

紅外光譜因其應(yīng)用領(lǐng)域的不同而劃分，一般規(guī)定中紅外波段為2.5～25 μm；3～8 μm 波段為中波紅外波段，其中3～5 μm 部分為大氣透過窗口，可觀測到空中高溫目標(biāo)（飛機(jī)噴口、導(dǎo)彈尾焰等）；8～15 μm 為長波紅外波段，又稱為“熱成像”區(qū)域。在此區(qū)域，傳感器可獲得溫度略高于室溫的物體的完全被動圖像，不需要太陽、月亮或紅外照明器等照明，其中8～12 μm 為又一個大氣窗口，可觀測到地面常溫目標(biāo)（人、自然物等）?；谶@兩個大氣透過窗口的研究在醫(yī)學(xué)、軍事和科學(xué)等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，如紅外成像、光譜、目標(biāo)檢測和生物傳感等［1-2］。然而，傳統(tǒng)的紅外成像元件由于受其相位調(diào)控機(jī)理的限制，有效尺寸通常為波長的成百上千倍，因此體積和質(zhì)量都很大，不易于集成，阻礙了未來的輕量化和集成化發(fā)展。

超構(gòu)表面是一種由亞波長尺寸的、各向異性或各向同性的散射體（微納米結(jié)構(gòu)）以亞波長間隔陣列在一個襯底上而成的光學(xué)器件。根據(jù)光學(xué)的廣義折射定律，通過改變這些微納米結(jié)構(gòu)的參數(shù)（形狀、尺寸和方位角等）以及它們與周圍介質(zhì)之間的折射率對比度，超構(gòu)表面可以實現(xiàn)幾乎所有電磁波參量（相位、振幅、偏振和頻率）的調(diào)控［3-6］。所以，利用超構(gòu)表面可將傳統(tǒng)光學(xué)元件重新設(shè)計成輕薄化、平面化且多功能集成的新型元件，有望大幅縮小器件尺寸、減少系統(tǒng)復(fù)雜性，并引入新的光學(xué)功能。

在超構(gòu)表面的應(yīng)用中，平面超構(gòu)透鏡是具有透鏡功能的超構(gòu)表面，以極薄極輕易集成的特性實現(xiàn)了傳統(tǒng)透鏡的性能與功能［7-9］，成為最重要的研究領(lǐng)域之一。而目前大多數(shù)提出的超構(gòu)透鏡都在可見波段和近紅外波段工作［10-13］，中紅外波段的超構(gòu)透鏡因面臨著在加工和成本上的問題研究較少［14］。大多數(shù)用于制備超構(gòu)透鏡的光學(xué)材料，如氮化鎵［15-16］、氧化鈦［10-11，17］、二氧化硅［18］等在超過3 μm 的波長中不具備高透過率，難以滿足效率要求。而一些在中紅外波段具有良好性能的材料，如硅［19-20］、鍺［21-22］、氟化物玻璃［23-24］等，往往成本昂貴且在加工上具有一定的難度。此外，用于中紅外的實驗設(shè)備如激光器和照相機(jī)等，比在近紅外和可見光波段工作的設(shè)備要昂貴得多。而在不同波長工作的超構(gòu)表面光學(xué)器件通常具有相似的設(shè)計方法，因此研究人員更傾向于選擇在近紅外和可見光波段進(jìn)行概念證明。但相比于可見光波段和近紅外波段，大面積的超構(gòu)透鏡在中紅外具有更小的數(shù)據(jù)集，更容易實現(xiàn)大規(guī)模、低成本的批量生產(chǎn)。

超構(gòu)透鏡與普通透鏡一樣也存在像差問題［25］，會導(dǎo)致色彩錯誤、圖像失真和圖像模糊等。因此，消除像差，包括單色像差和色差，對于成像和顯示而言是極其重要的［26-27］。本文綜述了基于中紅外超構(gòu)透鏡成像的研究進(jìn)展及應(yīng)用，首先介紹超構(gòu)透鏡的4 種基本相位調(diào)控方式，以及利用中紅外超構(gòu)透鏡實現(xiàn)高聚焦效率、消除色差或單色像差的基本原理，最后，分析了基于中紅外超構(gòu)透鏡的成像應(yīng)用，包括偏振相關(guān)成像、可調(diào)及可重構(gòu)成像等。

2 相位調(diào)控方式

2.1 表面等離子體共振相位

當(dāng)電磁波入射到金屬與介質(zhì)分界面，金屬表面自由電子的振動頻率與入射電磁波的頻率相匹配時會發(fā)生共振，金屬天線將光集中到比波長小得多的區(qū)域，并激發(fā)名為表面等離子體激元的電荷震蕩［28-29］。通過設(shè)計金屬天線的尺寸、形狀和方向可實現(xiàn)不同的共振頻率，進(jìn)而改變某個頻點的相位，產(chǎn)生相位突變。但是基于金屬微納米結(jié)構(gòu)的超構(gòu)透鏡會不可避免地引入歐姆損耗，難以實現(xiàn)高效率的光場調(diào)控。由低損耗的介質(zhì)材料構(gòu)成的超構(gòu)透鏡可有效地解決這一問題，其調(diào)控電磁波的原理可分為三類：基于惠更斯原理的相位、傳播相位與幾何相位。

2.2 基于惠更斯原理的相位

惠更斯原理表現(xiàn)為：行進(jìn)中的波陣面上任一點都可看作是新的次波源，而從波陣面上各點發(fā)出的次波所形成的包絡(luò)面，就是原波面在一定時間內(nèi)傳播得到的新波面?；莞钩瑯?gòu)透鏡便是基于惠更斯原理實現(xiàn)的電磁超構(gòu)透鏡?；莞钩瑯?gòu)透鏡通過在結(jié)構(gòu)單元內(nèi)部激發(fā)電磁響應(yīng)，形成等效電流與磁流，以此構(gòu)建惠更斯波源，從而使波前在經(jīng)過超構(gòu)透鏡時受到調(diào)制［30］。其中，介質(zhì)惠更斯超構(gòu)透鏡是基于米氏共振［31-32］和法布里-珀羅（Fabry-Pérot）共振［33］等激發(fā)共振相關(guān)的共振型相位實現(xiàn)的。在強(qiáng)米氏散射共振中，通過調(diào)整介質(zhì)諧振腔（微納米結(jié)構(gòu)）的幾何形狀，同時激發(fā)具有相似振幅與相位的電偶極子與磁偶極子共振，可實現(xiàn)覆蓋整個2π 范圍的高透射相位變化［30］。但基于共振型相位超構(gòu)透鏡的相位突變來源于結(jié)構(gòu)共振，這導(dǎo)致其工作帶寬有限。此外，在相位梯度較大的情況下，相鄰納米結(jié)構(gòu)之間的強(qiáng)共振模式耦合可能會引入很大的誤差，從而降低聚焦性能［31］。

2.3 傳播相位

傳播相位指的是電磁波在傳播的過程中會產(chǎn)生光程差，利用這一光程差可實現(xiàn)對相位的調(diào)控。為了更好地了解相位調(diào)控機(jī)制，僅由波導(dǎo)效應(yīng)產(chǎn)生的相位可表示為：

其中每個微納米結(jié)構(gòu)單元可近似為截斷波導(dǎo)，neff為其有效折射率，H為傳播距離，即結(jié)構(gòu)的高度。在微納米結(jié)構(gòu)高度固定時，傳播相位可通過微納米結(jié)構(gòu)的形狀、尺寸和結(jié)構(gòu)單元周期等進(jìn)行調(diào)節(jié)［11-12］?；趥鞑ハ辔辉碓O(shè)計的超構(gòu)透鏡，通常由各向同性的微納米結(jié)構(gòu)構(gòu)成，具有高度對稱的特點。因此，超構(gòu)透鏡自然賦有偏振不敏感性，即微納米結(jié)構(gòu)的相位響應(yīng)與入射光的偏振類型無關(guān)，適用于大多數(shù)應(yīng)用場景。

2.4 幾何相位

幾何相位又被稱為Pancharatnam-Berry（PB）貝里相位。不同于上述通過調(diào)整結(jié)構(gòu)單元的幾何尺寸來實現(xiàn)相位調(diào)控的原理，幾何相位通過調(diào)整具有相同尺寸結(jié)構(gòu)的面內(nèi)旋轉(zhuǎn)角來實現(xiàn)全2π 相位調(diào)控，該相位調(diào)控機(jī)理僅適用于圓偏振入射光［10，34］。當(dāng)圓偏振光入射到各向異性的微納米結(jié)構(gòu)單元后，其透射電場可表示為：

3 超構(gòu)透鏡成像的重要指標(biāo)

3.1 聚焦效率

與傳統(tǒng)中紅外透鏡一樣，聚集效率是評價超構(gòu)透鏡成像性能的重要指標(biāo)之一。超構(gòu)透鏡的聚焦效率一般定義為焦平面三倍半高全寬范圍內(nèi)的光強(qiáng)除以入射的總光強(qiáng)［12］。到目前為止，提高超構(gòu)透鏡聚集效率的方法層出不窮，其中采用反射鏡、高對比度折射率材料、高透過率材料、全介質(zhì)材料或改變微納米結(jié)構(gòu)幾何形狀等多種機(jī)制已被證明是可行的。2016 年，Zhang 等展示了一種基于反射鏡的高效中紅外（λ=4.6 μm）反射型平面透鏡［35］。反射式超構(gòu)透鏡是一種多層結(jié)構(gòu)，其中平面微納米結(jié)構(gòu)陣列通過亞波長厚度的介質(zhì)間距與接地金屬平面分離，如圖1（a）所示。實驗與仿真聚焦效率分別為80%與83%。而由于反射式超構(gòu)透鏡在光路設(shè)計時會帶來不便，通常將超構(gòu)透鏡設(shè)計為透射型。另一方面，由金屬材料微納米結(jié)構(gòu)構(gòu)成的超構(gòu)透鏡由于其材料存在固有的歐姆損耗，會影響最終的聚焦效率，并且歐姆損耗在透射模式的工作中又會被進(jìn)一步地放大，因此大多數(shù)高聚焦效率的中紅外超構(gòu)透鏡是基于全介質(zhì)材料實現(xiàn)的。2017 年，Zuo 等設(shè)計了在4 μm 工作波長下的偏振不敏感全介質(zhì)超構(gòu)透鏡，其實驗聚焦效率高達(dá)78%［36］。如圖1（b）所示，該透鏡采用六邊形襯底單元，這種形狀有最密集的平面排列，基于此設(shè)計的超構(gòu)透鏡具有更加平滑的相位分布，相比方形襯底單元可實現(xiàn)更好的光學(xué)性能。同時，在這項工作中，結(jié)構(gòu)陣列選用在中紅外波段具有可忽略吸收率的氫化非晶硅α-Si∶H（n≈3.5）材料，并能與MgF2襯底（n=1.37）產(chǎn)生高折射率差異，使更多的光集中在微納米柱內(nèi)。2021 年，Leitis 等同樣使用六邊形襯底單元實現(xiàn)了6.5 μm 工作波長下的超構(gòu)透鏡，用Al2O3襯底與Ge 微納米結(jié)構(gòu)制備了聚焦效率為70.4%的超構(gòu)透鏡［37］。2018 年，Zhang 等報道了一種高效的透射式惠更斯超構(gòu)表面［38］。該工作選用在中紅外波段具有高透過率的CaF2襯底（n=1.4）與PbTe（n≈5）結(jié)構(gòu)材料，保證了高折射率對比度。此外，作者創(chuàng)新性地采用了由矩形和“H”形微納米結(jié)構(gòu)組成的雙組分微納米結(jié)構(gòu)單元設(shè)計，如圖1（c）所示。相比于單一類型的圓形或矩形結(jié)構(gòu)單元設(shè)計，惠更斯超構(gòu)表面的整體光學(xué)效率得到了顯著的提升。該工作最終在5.2 μm 工作波長下實現(xiàn)了高達(dá)75%的實驗聚焦效率。同年，F(xiàn)an 等基于BaF2襯底和Si 結(jié)構(gòu)在10.6 μm 波長下實現(xiàn)了可變焦超構(gòu)透鏡，如圖1（d）所示［39］。該透鏡在水平偏振與垂直偏振入射光下，分別實現(xiàn)了72%與77%的聚焦效率。固體沉浸式超構(gòu)透鏡需將入射光聚焦在探測器材料中，它由與探測器襯底（這里是GaSb）相同的材料制成，因此可直接在探測器襯底材料的背面制備超構(gòu)透鏡。如圖1（e）所示，Zhang 等將固體沉浸式超透鏡陣列與紅外焦平面陣列集成，提高了紅外焦平面陣列的工作溫度和靈敏度，在3～5 μm 波段實現(xiàn)了52%的最大實驗聚焦效率［40］。

圖1 中紅外高聚焦效率超構(gòu)透鏡［36-40］Fig.1 High focusing efficiency metalens in mid-infrared［36-40］

表1 中紅外高聚焦效率超構(gòu)透鏡性能Tab.1 Performance of mid-infrared high focusing efficiency metalenses

3.2 消除色差

以超構(gòu)透鏡為例的衍射光學(xué)元件色散表現(xiàn)為：波長越長，偏轉(zhuǎn)角越大，透鏡焦距越短。即不同波長的光最終聚焦在不同的空間點上［41］，間接導(dǎo)致成像、顯示和檢測性能的下降。在實際應(yīng)用中，元件通常在一個波段內(nèi)工作，因此消除色差，即讓不同波長的光聚焦在同一點，是研究人員一直在探索的重要問題。目前有兩種消除色差的方法，第一種通過將多個在特定波長工作的超構(gòu)透鏡疊加而實現(xiàn)［42-43］，與普通透鏡消除色差的方式類似，但這種方法只能在多個離散的波長下實現(xiàn)聚集。第二種方法則能在連續(xù)波段實現(xiàn)消色差聚焦，其基本原理主要分為兩種：第一種是寬帶消色差理論，即將透鏡聚焦所需的相位分解成兩部分：波長無關(guān)的基礎(chǔ)相位和波長相關(guān)的補(bǔ)償相位［16，44］，如下：

其中：r為各微納米單元到透鏡中心的距離，λmax為目標(biāo)波段中的最大波長，f為消色差后的統(tǒng)一焦距?？梢?，式子的第一部分為基礎(chǔ)相位，只與最大波長λmax有關(guān)。第二部分則是工作波長λ的函數(shù)，可理解為該波長下的相位與最大波長處所對應(yīng)的相位之差，該相位差可通過調(diào)控超構(gòu)透鏡各單元的相位響應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償。第二種是寬帶消色差理論［45-46］，它將相位輪廓在設(shè)計頻率處進(jìn)行泰勒展開，如下：

式中ω，ωd分別為角頻率和設(shè)計角頻率。一階導(dǎo)數(shù)項與二階導(dǎo)數(shù)項分別定義為群延遲和群延遲色散，群延遲項補(bǔ)償了波包到達(dá)焦點位置時間的差異，而群延遲色散項確保了波包形狀的一致性，二者共同實現(xiàn)寬帶色散調(diào)控功能。

基于上述原理，學(xué)者們展開了一系列中紅外消色差超構(gòu)透鏡設(shè)計。Zhou 等采用PB 相位和傳播相位分別控制光的波前和消除色差，提出了一種可以在3.7～4.5 μm 紅外波段工作的消色差超構(gòu)透鏡，用于圓偏振光入射［47］，如圖2（a）所示。Ou 等基于一種通用的方法在中波紅外實現(xiàn)了寬帶消色差成像［48］，即在純硅片中構(gòu)建雙折射超構(gòu)透鏡。同時，通過選擇由不同形狀的微納米結(jié)構(gòu)支持的不同波導(dǎo)模式按需設(shè)計基礎(chǔ)相位與補(bǔ)償相位。作者采用的微納米結(jié)構(gòu)單元大多為具有旋轉(zhuǎn)對稱性的圓形結(jié)構(gòu)，保證了偏振不敏感性，基于此設(shè)計制作了一個幅面D=370 μm，NA=0.42，在3.5～5 μm 波段工作的寬帶消色差超構(gòu)透鏡，并展示了設(shè)計超構(gòu)透鏡對復(fù)雜圖案（字母“SITP”）的成像結(jié)果，如圖2（b）所示。結(jié)果表明，該方法成功地實現(xiàn)了中波紅外寬帶成像中色差的消除功能。 2021 年，Song 等選用3 種不同的微米結(jié)構(gòu)單元構(gòu)造超構(gòu)透鏡：一個微米柱對應(yīng)矩形微型波導(dǎo)，兩個微米柱對應(yīng)狹縫微型波導(dǎo)，3個微米柱對應(yīng)多狹縫微型波導(dǎo)，相比于常見的微米結(jié)構(gòu)單元構(gòu)造，這種構(gòu)造使得設(shè)計具有更大的自由度，并支持廣泛的波導(dǎo)模式，從而更精確地調(diào)節(jié)群延遲?；谶@3 種結(jié)構(gòu)在9.6～11.6 μm內(nèi)實現(xiàn)了具有良好消色差性能的全鍺偏振敏感型超構(gòu)透鏡，如圖2（c）所示［49］。2022 年，Xiong 等采用了一種具有旋轉(zhuǎn)對稱性的中空十字形微納米結(jié)構(gòu)構(gòu)造超構(gòu)透鏡，如圖2（d）所示［50］，而常用的方形、圓形或十字形等結(jié)構(gòu)或多或少會發(fā)生共振吸收，甚至導(dǎo)致相位與頻率之間的非線性關(guān)系。相反，作者構(gòu)建的ZnSe 中空十字結(jié)構(gòu)在中紅外區(qū)域幾乎沒有透射率損失，并且具有高度的線性擬合關(guān)系。在整個3～5 μm 帶寬內(nèi)實現(xiàn)了平均聚焦效率接近70%的消色差超構(gòu)透鏡。

圖2 中紅外消色差超構(gòu)透鏡［47-50］Fig.2 High focusing efficiency metalens in mid-infrared［47-50］

表2 中紅外消色差超構(gòu)透鏡性能Tab.2 Performance of mid-infrared achromatic metalenses

3.3 消除單色軸外像差

在大視場成像系統(tǒng)中，軸外像差（彗差、像散、場曲和畸變）隨著入射角的增大而變得異常明顯，從而導(dǎo)致成像的不清晰或幾何變形等［51］。在大視場成像中，軸外像差的消除顯得尤為重要，其中引起圖像幾何變形的畸變可通過后續(xù)的圖像處理進(jìn)行消除。最初基于超構(gòu)表面的消單色像差設(shè)計是在彎曲基板上制作微納米結(jié)構(gòu)陣列實現(xiàn)的［52］，其加工難度大且應(yīng)用受限。因此，現(xiàn)今基于超構(gòu)透鏡的大視場成像設(shè)計以平面超構(gòu)透鏡為主［53-54］。常見的利用雙曲線相位輪廓（式（5））生成的超構(gòu)透鏡只能對正入射光產(chǎn)生衍射極限聚焦，而在斜入射情況下焦點會發(fā)生強(qiáng)烈的畸變，因此需采用新的相位分布公式。大多數(shù)消單色像差超構(gòu)透鏡的設(shè)計均以Chevalier Landscape 鏡頭為參考［55］，即在聚焦透鏡前放置一個較小的孔徑光闌，其將正入射與斜入射的光線分離從而由透鏡的不同部分聚焦。而通過設(shè)計透鏡的曲率和孔徑光闌的放置位置可一定程度上消除軸外像差。依據(jù)平面衍射光學(xué)元件的三階彗差和像散表達(dá)式，當(dāng)孔徑光闌放置在透鏡前焦面時，可以有效消除彗差和像散，而衍射透鏡的場曲始終為零。因此，將這種設(shè)計方法應(yīng)用到超構(gòu)透鏡中，可以消除所有軸外像差。

其中：λ為設(shè)計波長，(x，y）為各微納米結(jié)構(gòu)單元以超構(gòu)透鏡中心為參考的坐標(biāo)值，f為焦距。

近年來，研究人員利用光學(xué)軟件ZEMAX 在理想條件下獲得超構(gòu)透鏡的初始優(yōu)化相位［26，56］，相位分布定義為徑向坐標(biāo)ρ的偶數(shù)階多項式，如下：

式中：M為衍射級次，為每一微納米柱到超構(gòu)透鏡中心的徑向距離，R0為超構(gòu)透鏡的歸一化半徑，an為優(yōu)化系數(shù)，n為優(yōu)化系數(shù)的個數(shù)。這種相位輪廓能在一段連續(xù)變化的入射角范圍內(nèi)實現(xiàn)高質(zhì)量成像。也有學(xué)者基于二次相位設(shè)計超構(gòu)透鏡，如式（7）所示，其中θ為入射光的傾斜角，k0為電磁波自由空間波數(shù)。其基本原理是將斜入射平面波引入的線性相位轉(zhuǎn)換為焦點的空間位移［57-58］。基于這兩種設(shè)計方法，研究人員提出了一系列消單色像差的中紅外超構(gòu)透鏡，這種特性使得透鏡能工作在大范圍視場，故又可稱為大視場超構(gòu)透鏡。

2020 年，Shalaginov 等設(shè)計了一種視場范圍超過170°的單層中紅外（波長為5.2 μm）全景超構(gòu)透鏡［59］，如圖3（a）所示。該超構(gòu)透鏡是由惠更斯超構(gòu)表面和集成在其襯底另一側(cè)的孔徑光闌組成的，而惠更斯超構(gòu)表面由CaF2襯底和PbTe微納米結(jié)構(gòu)構(gòu)成。其中，惠更斯超構(gòu)表面的相位分布由式（6）定義，各an值則通過ZEMAX 光學(xué)追跡優(yōu)化得到。經(jīng)實驗驗證，設(shè)計得到的全景超構(gòu)透鏡在入射角從0°增大到85°的過程中，聚焦效率從45%變化到32%，角度敏感性相對較低，且不同視場下的斯特列爾比均在0.8 以上，滿足衍射極限聚焦的要求。而基于式（6），光闌與超構(gòu)透鏡組合的設(shè)計更適用于小NA 的應(yīng)用場景中［60］，因為這種組合不能校正球差。在大NA 的應(yīng)用場景中，通常會用一個全新的超構(gòu)透鏡代替孔徑光闌。該超構(gòu)透鏡的相位公式滿足式（6），具有類似于施密特板的相位分布，被廣泛應(yīng)用于球差校正［61］。這種兩層超構(gòu)透鏡的組合又可稱為級聯(lián)超構(gòu)透鏡，能同時校正球差和單色軸外像差。如圖3（b）所示，黃振宇在工作波長為10～11 μm內(nèi)設(shè)計實現(xiàn)了工作視場為0～±30°全硅消色差級聯(lián)超構(gòu)透鏡［62］。最終，制備的級聯(lián)超構(gòu)透鏡在正入射時的平均聚焦效率為20.62%，30°角入射時平均聚焦效率為9.1%。此外，也有基于新型懸鏈結(jié)構(gòu)設(shè)計而成的大視場超構(gòu)透鏡［58］，這種具有類似于二次函數(shù)形狀的結(jié)構(gòu)可以生成連續(xù)的相位分布，且具有超高的衍射效率。Zhang 等利用這種懸鏈型結(jié)構(gòu)設(shè)計并制備了長波紅外超構(gòu)透鏡［63］，并與紅外探測器和紅外帶通濾波器集成為相機(jī)，在10.6 μm波長下實現(xiàn)了手性熱成像，如圖3（c）所示，廣泛應(yīng)用于環(huán)境傳感、生物研究等領(lǐng)域。

圖3 中紅外大視場超構(gòu)透鏡［59-63］Fig.3 Wide field-of view imaging metalens in mid-infrared［59-63］

4 中紅外超構(gòu)透鏡成像應(yīng)用

4.1 偏振相關(guān)成像

偏振是光的固有屬性，它包含的信息通常被傳統(tǒng)基于強(qiáng)度的紅外熱成像傳感器所忽略，如目標(biāo)的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、幾何形狀、粗糙度和表面取向等信息［64-65］，因此偏振成像被廣泛應(yīng)用于目標(biāo)檢測和生物傳感等領(lǐng)域。近年來，許多學(xué)者基于超構(gòu)透鏡實現(xiàn)了紅外手性成像、偏振成像或依據(jù)入射光偏振態(tài)的不同實現(xiàn)變焦或焦點分離聚焦成像。偏振態(tài)可由斯托克斯參量S定義，S=(S0S1S2S3)T。S可由入射光各偏振分量的強(qiáng)度值組合表示，如下：

表3 中紅外大視場超構(gòu)透鏡指標(biāo)Tab.3 Index of mid-infrared wide field-of view metalenses

式中：Ix，Iy，I45分別為入射光沿x，y，45°方向線偏振分量的強(qiáng)度值，ILCP為LCP 分量的強(qiáng)度值。其中，S0為入射光的總光強(qiáng)，其值等于任意一對相對的偏振光分量的光強(qiáng)之和，如ILCP與IRCP之和、I45與-45°方向偏振光分量強(qiáng)度值（I-45）之和。因此，通過將入射光分成4 束或6 束上述基本偏振光并得到對應(yīng)的光強(qiáng)，即可計算出入射光的斯托克斯參量，從而可知入射光的偏振態(tài)［66］?；诖嗽砜赏瑫r實現(xiàn)偏振成像與偏振檢測［67-69］。Li 等用6 個焦點在波長5 μm 處實現(xiàn)了全斯托克斯偏振檢測［70］。作者將3 個同維度的雙焦超構(gòu)透鏡與能夠測量光強(qiáng)的光電探測器集成，如圖4（a）所示，其中3 個超構(gòu)透鏡分別聚焦x，y線偏振對，±45°線偏振對和LCP 與RCP 偏振對。對于任意偏振光的入射，通過測量這3 對偏振光分量的光強(qiáng)并基于式（8）即可得到入射光的偏振態(tài)。仿真結(jié)果表明，重構(gòu)的斯托克斯參量的均方根誤差小于0.005，工作效率達(dá)到75.42%。2019 年，Yan 等利用傳播相位調(diào)控x，y線偏振光，利用傳播相位與幾何相位的結(jié)合調(diào)控LCP 與RCP，并基于此設(shè)計了能同時對這4 個偏振態(tài)進(jìn)行離軸聚焦成像的全硅偏振成像器件［71］。與一般超構(gòu)偏振成像器件不同，該超構(gòu)透鏡是基于交錯結(jié)構(gòu)而不是分區(qū)域結(jié)構(gòu)［68-69］實現(xiàn)的，因此無需嚴(yán)格對準(zhǔn)入射光便可使不同的分光束產(chǎn)生相同尺寸的像。圖4（b）為該超構(gòu)透鏡在10.6 μm 工作波長下對“IOE”字樣進(jìn)行偏振成像測試。

2020 年，Ou 等提出了一種中紅外（3.5～5 μm）超構(gòu)器件（圖4（c）），能實現(xiàn)攜帶不同拓?fù)潆姾蓴?shù)的渦旋光束聚焦，而拓?fù)潆姾蓴?shù)依賴入射偏振。作者還依據(jù)類似的方法實現(xiàn)了偏振分光器，可根據(jù)入射偏振的不同將入射光消色差地聚焦于同一焦平面上的兩個離軸點［72］。2021 年，Ou等又提出能在3.5～5 μm 中紅外波段實現(xiàn)寬帶消色差變焦成像的全硅超構(gòu)透鏡。超構(gòu)透鏡由橢圓形硅微納米柱組成，在x，y線偏振光的激勵下實現(xiàn)了不同焦距的聚焦［48］，如圖4（d）所示。2019年，He 等提出了一種由角分布的螺旋柱狀微納米結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成的圓二色性手性超構(gòu)透鏡［73］，該超構(gòu)透鏡在3～5 μm 的中波紅外波段工作，如圖4（e）所示。其工作原理分為兩種情況：假設(shè)RCP光入射到超構(gòu)透鏡，在透射方向上出射與其旋向相反的LCP 光并實現(xiàn)聚焦；另一種情況則是當(dāng)圓偏振光（LCP）入射到同一超構(gòu)透鏡時，會反射與其旋向相同的LCP 光同樣實現(xiàn)聚焦效果。

圖4 中紅外偏振相關(guān)成像［48，70-73］Fig.4 Polarization dependent imaging in mid-infrared［48，70-73］

4.2 可調(diào)及可重構(gòu)成像

上述超構(gòu)透鏡有一個共通的特性，即超構(gòu)透鏡一旦制成，其功能就固定且無法改變，其應(yīng)用范圍不能進(jìn)一步擴(kuò)展。于是具有可主動變化功能的可調(diào)諧超構(gòu)透鏡被提出。當(dāng)下，有兩種常用的方法以實現(xiàn)可調(diào)超構(gòu)透鏡［74］，一種是通過改變微納米結(jié)構(gòu)單元間近場相互作用引起的電磁耦合和散射相位差［75-76］，可對超構(gòu)透鏡的共振波長和輸出波前進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)制；另一種是將活性物質(zhì)整合到超構(gòu)透鏡中［77-79］，如銦錫氧化物（ITO）、相變材料、液晶和石墨烯等材料，它們的光學(xué)性質(zhì)可以通過施加外部激勵（電、熱等）進(jìn)行主動調(diào)諧。Ge2Sb2Te5（GST）和Ge2Sb2Se4Te1（GSST）等是比較常見的相變材料，能在非晶態(tài)與晶態(tài)這兩種相態(tài)之間相互轉(zhuǎn)換，通過兩種不同狀態(tài)下介電常數(shù)的不同實現(xiàn)動態(tài)可調(diào)的電磁波振幅和相位。如圖5（a）所示，Guo 等利用GST 材料在8.5 μm 的工作波長下實現(xiàn)了基于超構(gòu)透鏡的動態(tài)聚焦［80］。通過改變環(huán)境溫度或外部飛秒激光脈沖，對GST 結(jié)構(gòu)的結(jié)晶水平（0～1 之間變化）進(jìn)行調(diào)控，從而實現(xiàn)其折射率的調(diào)控。最終，在不改變超構(gòu)透鏡結(jié)構(gòu)的情況下模擬實現(xiàn)了入射光在任意指定位置的聚焦。相比于GST 材料，GSST 材料在紅外波段為其非晶態(tài)和晶態(tài)提供了異常的寬帶透過性，這是降低光損耗的關(guān)鍵，同時在兩種狀態(tài)之間能實現(xiàn)較大的折射率對比度。Shalaginov 等設(shè)計的變焦超構(gòu)透鏡則利用GSST 材料，在晶態(tài)與非晶態(tài)這兩種狀態(tài)下均實現(xiàn)了無像差和無串?dāng)_的衍射極限成像［81］，其中，GSST 材料從非晶態(tài)轉(zhuǎn)換至晶態(tài)的過程是以退火爐工藝完成的。最終在工作波長5.2 μm 中實現(xiàn)了非晶態(tài)下23.7%的聚焦效率，晶態(tài)下21.6%的聚焦效率如圖5（b）所示。2022 年，Xu 等基于GSST材料設(shè)計了3 種具有自旋依賴性的分裂超構(gòu)透鏡［82］，分別能使LCP 和RCP 入射光在一定帶寬范圍內(nèi)（未消色差）實現(xiàn)橫向分離、縱向分離、橫向與縱向同時分離的兩個聚焦點。并能在GSST 從非晶態(tài)轉(zhuǎn)化為晶態(tài)時實現(xiàn)“ON”和“OFF”狀態(tài)的切換，圖5（c）最右邊圖像展示的是自旋相關(guān)的橫向分裂超構(gòu)透鏡在4.2 μm 波長下RCP 光入射時的開關(guān)效果展示，這種開關(guān)效果在上述3 種自旋相關(guān)的分裂超構(gòu)透鏡中均可實現(xiàn)。

圖5 中紅外可調(diào)及可重構(gòu)成像［80-83］Fig.5 Tunable and reconfigurable imaging in mid-infrared［80-83］

除了相變材料，微機(jī)電系統(tǒng)（Micro-electro-Mechanical System，MEMS）也是實現(xiàn)可重構(gòu)超構(gòu)透鏡的一種方法。Chen 等提出了基于光機(jī)腔實現(xiàn)的電調(diào)諧反射式超構(gòu)透鏡［83］。圖5（d）顯示了變焦超構(gòu)透鏡的具體組成，其中圓柱形微納米柱陣列通過一個小的氣隙與一個可變形的金屬反射鏡分離。硅微納米柱陣列制備在玻璃基板上，與由氮化硅薄膜和金薄膜組成的可變形反射鏡由一層SU-8 間隔開。在硅微納米柱陣列和襯底之間，還有一層薄薄的ITO 作為透明電極，以驅(qū)動可變形反射鏡并改變氣隙（微納米柱下表面與氮化硅薄膜上表面之間的間距），從而實現(xiàn)變焦功能。圖5（d）最右邊圖像展示了器件在模式2（見圖5（d）中間圖像）下焦距隨電壓的變化趨勢，從圖可得焦距隨著施加電壓的增大而增大，大致呈線性變化，其工作波長為3.8 μm。動態(tài)可調(diào)的超構(gòu)表面透鏡特別適合成像和AR/VR 等應(yīng)用，這些應(yīng)用則傾向于具有大范圍焦距的變焦透鏡。

4.3 其他成像應(yīng)用

除了上述總結(jié)的比較常見的光學(xué)成像應(yīng)用之外，基于超構(gòu)透鏡的成像領(lǐng)域還有許多其他功能。低萃取效率仍然是紅外發(fā)光二極管寄生加熱和性能下降的一個來源。超晶格發(fā)光二極管與紅外焦平面陣列類似，紅外場景投影儀由大量超晶格發(fā)光二極管組成，只不過它們的作用是熱顯示而不是熱相機(jī)。2020 年，Bogh 等在3.6 μm波長下提出了一種基于超構(gòu)透鏡實現(xiàn)的發(fā)光二極管，并制備了41×41 個具有24 μm 間距的超構(gòu)透鏡組成的1 mm2陣列。如圖6（a）所示，相比于未制備超構(gòu)透鏡圖案的裝置，從發(fā)射器中提取的光增強(qiáng)了接近330%［84］。此外，還可利用超構(gòu)透鏡提高探測器的靈敏度或效率。由于紅外成像元件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，每個元件的光敏區(qū)域只占相當(dāng)小的一部分，導(dǎo)致填充系數(shù)低，從而限制了入射光的利用效率。Hou 等制備的超構(gòu)透鏡可作為光集中器來提高檢測靈敏度，如圖6（b）所示。他們通過在長波紅外探測器的成像元件中集成一個偏振無關(guān)的寬帶聚焦全硅超構(gòu)透鏡［85］，顯著提高了有效填充因子，即感光面積與整個像元面積的比值。模擬測得所設(shè)計超構(gòu)透鏡的單色聚焦效率可達(dá)86%，在8～14 μm 寬光譜范圍內(nèi)的平均聚焦效率可達(dá)80%。在自然界中，飛蛾的眼睛具有非常精細(xì)的微納米結(jié)構(gòu)，同時自然賦有抗反射功能。2022 年，Zhou 等受蛾眼結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，首次展示了一種仿生蛾眼超構(gòu)透鏡［86］，如圖6（c）所示，在任意偏振光的激發(fā)下，在中紅外波段（3.1～8.0 μm）均能實現(xiàn)保偏、寬帶和角度不敏感聚焦。仿真的最大調(diào)制和聚焦效率分別能達(dá)到92%和90%，此處的調(diào)制效率可理解為保偏度。這一功能在小型化夜視、生物傳感和多光譜成像等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。

圖6 中紅外超構(gòu)透鏡其他成像應(yīng)用［84-86］Fig.6 Other imaging applications with metalens［84-86］

5 結(jié) 論

本文對中紅外超構(gòu)透鏡及其相關(guān)成像技術(shù)進(jìn)行了綜述，介紹了利用超構(gòu)透鏡分別實現(xiàn)成像中三個重要指標(biāo)的原理，列舉了中紅外超構(gòu)透鏡在偏振成像、可重構(gòu)及可調(diào)成像和其他成像中的一些應(yīng)用。

超構(gòu)透鏡具備輕薄、易于集成和多功能化的特性，已被證實可以逐漸代替層疊、笨重、昂貴的傳統(tǒng)成像系統(tǒng)，特別是在中紅外波段，超構(gòu)透鏡的輕薄化優(yōu)勢更為明顯。雖然超構(gòu)透鏡在中紅外波段已經(jīng)取得了長足的進(jìn)展，特別是在制造和設(shè)計方面，但仍存在許多挑戰(zhàn)。要實現(xiàn)更高的聚焦效率、更寬波段的消色差、更強(qiáng)的消單色像差能力等關(guān)鍵指標(biāo)，才能滿足其真正走向應(yīng)用的需求。目前，超構(gòu)透鏡在中紅外波段的應(yīng)用鮮少報道。例如，深度測量［87-88］、層析成像［89-90］、光場成像［91-92］等，仍值得我們探索。同時，目前的成像應(yīng)用實例大多實現(xiàn)的是單一功能，對于多種功能的疊加或切換需探索創(chuàng)新的工作原理和更復(fù)雜的設(shè)計方案。更值得一提的是，在進(jìn)行大面積超構(gòu)透鏡的設(shè)計與制備時，需要處理海量數(shù)據(jù)，往往會耗費大量的時間和計算容量，仍需探究更成熟的數(shù)據(jù)處理方式、設(shè)計方法與制備工藝［93-94］。

在這篇綜述中，均是通過成像系統(tǒng)即硬件部分對像差進(jìn)行消除，現(xiàn)有工作提出將部分像差校正功能分擔(dān)到軟件的預(yù)處理與后處理上，這種將硬件與軟件聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計的方法被稱為計算成像［95-96］，為設(shè)計大面積、高性能、更集成化的超構(gòu)透鏡系統(tǒng)提供了新的可行性方案。大多數(shù)超構(gòu)透鏡都需要大量的微納米結(jié)構(gòu)單元參數(shù)來創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫，然后選擇合適的元原子并組裝成具有預(yù)期功能的超構(gòu)透鏡。最近，一種被稱為逆向設(shè)計的方法被提出［97-98］，其中期望的光學(xué)響應(yīng)被定義為一個目標(biāo)成本函數(shù)。遺傳算法［99-100］、基于梯度的算法［101］和深度學(xué)習(xí)算法［102-103］等方法已經(jīng)被證明。這一新興的設(shè)計方法將有利于生成寬帶、高效、多功能化超構(gòu)表面光學(xué)器件。

總之，與體積較龐大且成本昂貴的傳統(tǒng)中紅外光學(xué)元件相比，超構(gòu)透鏡具有出色的波前調(diào)制能力且具有優(yōu)良的特性。同時，其加工與半導(dǎo)體工藝兼容，有望實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)制造［104］。在可預(yù)見的未來，超構(gòu)透鏡可能會廣泛采用在紅外光學(xué)系統(tǒng)中，并在紅外成像、機(jī)器視覺、遙感、醫(yī)學(xué)診斷，生物成像和材料科學(xué)等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。