从超构表面到超构透镜，揭秘镜头的变革之路！(2)

图源：SCHOTT

接下来，让我们一起走进Capasso研究团队从超构表面到革新传统透镜的研究历程吧！

2011年 | 超构表面引领超材料研究新征程

2011年Capasso研究团队首次开创了一个全新的二维超构材料metamaterials——超构表面方向。超构材料是一类具有改变光等电磁波传播性质而传统材料无法实现的特殊性质的人造材料。以往关于超构材料的研究均专注于三维超构材料的研究，然而三维超构材料结构复杂、只调控体参数的缺点在后续研究中越发暴露不能适应现有工艺相结合的功能应用。

研究团队从率先提出的突变相位（abrupt phase shift）概念出发，推导得到了广义折反射定律（Generalized Laws of Reflectionand Refraction），打破了传统几何光学规律——斯涅尔定律，推动了人工超构材料向二维化方向发展，从而与现有的半导体工艺相兼容。

该工作奠基了超构表面一种重要的唯象模型——相位梯度与广义折反射模型，该研究提出的等离激元（plasmonic）结构——V型天线（V-antennas）用于相位调控开创了相位梯度型超构表面的研究热点。超构表面的提出真正意义上克服了以往三维超构材料的局限性，从此引领了超构表面研究的新征程。

该项成果以\"Light propagation with phase discontinuities: generalized laws of reflection and refraction”为题发表在顶级期刊 science上。

图1 V型天线用于光相位调控及散射电场有限差分时域（FDTD）模拟

图源：science (2011) 334,333-337 (Fig.2, Fig. 3)

2012年 | 超构透镜：或将取代传统透镜组

图源：Harvard University

时隔不到一年，Capasso研究团队在2011年提出的一种新的光相位不连续性概念的基础上，即当光照射到亚波长散射体时，它的相位会发生突变即非连续变化。

2012年研究团队将其应用于无像差平面透镜和轴镜的设计和示范上并可实现远场衍射极限以下的聚焦和成像，该结构可提供光的相位和幅度的亚波长空间分辨率。该项创新性成果以“Aberration-Free Ultrathin Flat Lenses and Axicons at Telecom Wavelengths Based on Plasmonic Metasurfaces”为题发表在Nano Letters上。

图源：Nano Lett (2012)12, 4932?4936

研究团队利用相位不连续性径向分布的超薄亚波长间隔V型纳米天线组成的超构表面的将光进行散射，从而可以分别产生电信波长下的球形波阵面和无衍射贝塞尔光束。然后研究团队利用精确控制每个单元结构来控制光的相位，从而使光汇聚到一点，即超构表面透镜。超构透镜的特性取决于如何合理设计纳米单元的排列组合。

研究团队基于等离子超构表面设计制造并演示了两个具有厘米级焦距的平面透镜和一个角度为β= 0.5°的轴镜。即使在高数值孔径（NA）下也没有单色像差，实验结果与使用偶极模型的分析计算非常吻合。同时仿真结果也表明这种无像差设计适用于例如平面显微镜物镜等高数值孔径的透镜。

图2 平面透镜和轴镜设计制造原理以及聚焦实验和模拟仿真

图源：Nano Lett (2012) 12, 4932?4936 ( Fig.1, Fig.3 )

2016年 | 超构透镜荣登science封面

图源：Science

从显微镜、数码相机、高带宽纤维光学到激光干涉引力波天文台（LIGO）的实验室设备，透镜技术在各个尺度均取得了重要进展。

2016年哈佛大学Capasso研究团队开发了一种高效、超薄（约一个波长）、超高分辨率的超构表面透镜，可以将可见光汇聚到亚波长尺寸的光斑。

该项重大突破性工作以“Metalenses at visible wavelengths: Diffraction-limited focusing and subwavelength resolution imaging”为题并以封面的形式发表在Science上。这种超构表面透镜，有望取代手机、显微镜、照相机等镜头。

图3 超构透镜设计和制造原理

图源：

文章来源：《中国表面工程》 网址: http://www.zgbmgc.cn/zonghexinwen/2020/1103/336.html