周俊焯，郝 佳，余曉暢，周 健，鄧宸偉，虞益挺*

（1.西北工業(yè)大學(xué) 寧波研究院, 浙江 寧波 315103；2.西北工業(yè)大學(xué) 機電學(xué)院, 陜西 西安 710072；3.空天微納系統(tǒng)教育部重點實驗室 陜西省微納機電系統(tǒng)重點實驗室,陜西 西安 710072；4.西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所, 陜西 西安 710065；5.北京理工大學(xué)信息與電子學(xué)院, 北京 100081）

1 引 言

偏振成像在信息獲取維度上不同于光強或光譜等傳統(tǒng)成像技術(shù)，不僅能采集場景的二維空間分布信息，還可獲取偏振度、偏振角和橢圓度等偏振特性參量。偏振雙向反射分布函數(shù)[1-5]表明：散射光的偏振特性與物體表面的形貌特征和理化性質(zhì)密切相關(guān)。通過分析散射光的偏振信息，可以定性地區(qū)分形貌特征和理化性質(zhì)不同的物體，或定量地解算物體表面諸如粗糙度、表面法向、光學(xué)常數(shù)等本征屬性[6-9]。因此，偏振成像技術(shù)在目標探測[10-11]、水下成像[12-15]、生命科學(xué)[16-17]、環(huán)境監(jiān)測[18-19]、三維成像[20-21]等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。在民用領(lǐng)域，偏振成像技術(shù)能夠用于消除反光[22-24]、穿云透霧[25-26]、道路檢測[27-28]、細胞鑒定[29]等，從而助力智慧工業(yè)、智慧交通和智慧醫(yī)療的發(fā)展。在軍事領(lǐng)域，偏振成像技術(shù)可應(yīng)用于機載或星載光電探測系統(tǒng)[30-31]、制導(dǎo)武器的導(dǎo)引系統(tǒng)[32]和可穿戴式紅外成像儀[33]，從而提升戰(zhàn)場態(tài)勢分析、戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)略預(yù)警和目標精確打擊等作戰(zhàn)效能。隨著搭載平臺小型化、工作環(huán)境極端化、應(yīng)用需求多樣化的發(fā)展趨勢，亟需研制高集成、高性能和高可靠性的偏振成像系統(tǒng)。

為解算場景的偏振態(tài)信息，偏振成像系統(tǒng)需要采集多幅偏振態(tài)互異的強度影像，其中偏振分光或濾光器件起到關(guān)鍵作用。它不僅決定偏振成像系統(tǒng)的探測模式、譜段范圍和分辨率等光學(xué)性能，也在很大程度上影響了系統(tǒng)整機的架構(gòu)、體積、質(zhì)量等指標[34-35]。傳統(tǒng)的偏振分光或濾光器件有偏振分光棱鏡、染料系偏振片等。偏振分光棱鏡將水平偏振和垂直偏振的光分別送入不同偏振成像通道，可構(gòu)成分振幅型偏振成像系統(tǒng)[36-37]。然而，偏振分光棱鏡自身體積較大，且不同偏振通道需要有獨立的光學(xué)元件和探測器，使得該類系統(tǒng)體積龐大、難以集成。染料系偏振片采用定向排列的二色性染料分子實現(xiàn)偏振濾光[38]，可作為單向偏振濾光器集成于分時型偏振成像系統(tǒng)中[39]，也可利用染料分子和液晶分子的賓主效應(yīng)構(gòu)成微偏振陣列集成于分焦平面型偏振成像系統(tǒng)中[40-42]。然而染料分子消光比不高，其二色性吸收性能對光波波長較為敏感[43]，且在電場、磁場、熱場和應(yīng)力的刺激下容易失效[44]。因此，基于染料分子的偏振濾光器件具有消光比低、工作帶寬窄、性能不穩(wěn)定等缺點，難以滿足在極端工作環(huán)境下寬波段、高對比度的偏振成像需求。

隨著微納加工技術(shù)的發(fā)展，利用微納加工工藝在半導(dǎo)體襯底上制備微納結(jié)構(gòu)以調(diào)控光場偏振特性的光功能器件，因其輕量化、集成度高、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好等優(yōu)點受到了研究人員的青睞[45]。早期的微納結(jié)構(gòu)偏振器件主要為亞波長金屬線柵。亞波長金屬線柵是由亞波長間距的平行金屬線條周期性排列構(gòu)成的通過亞波長周期保證僅存在強偏振特性的零級衍射波[46-47]。根據(jù)等效介質(zhì)理論[48-49]，亞波長金屬線柵對TM 偏振光和TE 偏振光分別體現(xiàn)出介質(zhì)膜和金屬膜的特性，從而實現(xiàn)偏振濾波的功能。研究表明[50-53]：亞波長金屬線柵具有入射角范圍大、消光比高、耐熱性好和工作帶寬大等優(yōu)點。目前，亞波長金屬線柵的發(fā)展較為成熟，已實現(xiàn)從可見光波段到紅外波段的產(chǎn)品系列化。例如，Thorlabs 的可見光線柵偏振片，在420～700 nm 的波段內(nèi)，可實現(xiàn)800 的消光比和大于83%的TM 偏振透過率；長波紅外線柵偏振片，在7～15 μm 的波段內(nèi)，可實現(xiàn)10 000 的消光比和大于75%的TM 偏振透過率。此外，將像素尺寸大小的亞波長金屬線柵進行多方向組合，并進行周期性排列，可得到微偏振陣列[54-57]，實現(xiàn)分焦平面偏振成像[58]。2018 年，Sony 公司推出用于工業(yè)相機的偏振圖像傳感器IMX250MZR，其單個超像素包含0°，45°，90°，135°方向的亞波長金屬線柵子像元，分辨率為2 448×2 048，消光比達到300。然而，由于僅允許TM 偏振光透過、TE 偏振光反射的工作機理，該類器件的能量利用效率極限僅為50%，使得基于亞波長金屬線柵或微偏振陣列的偏振成像系統(tǒng)在低環(huán)境照度場景的應(yīng)用受到限制。突破亞波長金屬線柵能量利用效率極限的關(guān)鍵在于同時利用TM 偏振光和TE 偏振光，這勢必會增加偏振器件的結(jié)構(gòu)維度，而超構(gòu)材料（Metamaterials）的出現(xiàn)為解決這一難題提供了新的范式。

超構(gòu)材料是通過對天然材料進行加工，在其表面或內(nèi)部形成周期性排列的亞波長結(jié)構(gòu)陣列獲得的[59]。由于其性質(zhì)源于內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)，而非化學(xué)組成，通過調(diào)整亞波長單元的幾何參數(shù)和組合方式，可以獲得自然界中不存在的電磁響應(yīng)性質(zhì)。2001 年，加州大學(xué)的Smith 等[60]采用印刷電路板工藝，以銅線和開口諧振環(huán)的組合圖形為結(jié)構(gòu)單元，制造出具有負介電常數(shù)和負磁導(dǎo)率的結(jié)構(gòu)，實驗驗證了1968 年Veselago[61]對左手材料的預(yù)測。另一方面，超構(gòu)材料具有多維結(jié)構(gòu)自由度，允許在不同偏振方向和波段范圍對光場的振幅及相位參量進行獨立調(diào)控，其作為微納光場調(diào)控器件表現(xiàn)出巨大潛力。然而，目前三維超構(gòu)材料的加工[62]主要通過印刷電路板工藝、機械加工及組裝、3D 打印技術(shù)和微納加工技術(shù)。其中，前3 種制造技術(shù)能獲得的結(jié)構(gòu)單元特征尺寸在毫米量級，主要用于微波波段超構(gòu)材料的制造。微納加工技術(shù)利用多層掩模版套刻的方法，逐層制造特征尺寸為微米量級甚至百納米量級的復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)，但制造難度大、工藝成本高、加工周期長。因此，超構(gòu)表面作為超構(gòu)材料的二維平面形式，兼具工藝可實施性和光場多維調(diào)控能力，成為研究人員新的追逐方向?；诔瑯?gòu)表面的偏振器件可同時調(diào)控光場的TM 偏振和TE 偏振分量，從而理論上使器件的能量利用效率突破50%。本文面向偏振成像領(lǐng)域，以能量利用效率為主線，闡述相關(guān)超構(gòu)表面器件的功能原理、發(fā)展脈絡(luò)和未來趨勢，討論并展望其在成像應(yīng)用和系統(tǒng)集成方面所面臨的挑戰(zhàn)與未來發(fā)展趨勢。

2 面向偏振成像的超構(gòu)表面器件

超構(gòu)表面是結(jié)構(gòu)單元以亞波長間隔按準周期方式排列而成的二維平面器件，通過對入射光波施加離散的相位突變和振幅分布，以實現(xiàn)超常的光場調(diào)控功能[63-64]。其中間隔選定（λ/10）亞波長避免因間距過大而導(dǎo)致的散射效率不足，以及因間距過小而導(dǎo)致的相鄰單元發(fā)生電場耦合，進而實現(xiàn)對光場相位、振幅等參量在亞波長量級的精細操縱。超構(gòu)表面調(diào)控光場的研究熱潮興起于2011 年哈佛大學(xué)Capasso 課題組的一項研究工作[65]。該工作基于費馬原理提出廣義斯涅爾定律，指出在兩介質(zhì)的交界面上對光波施加離散的相位突變即可調(diào)控波前，并基于V 型等離激元天線結(jié)構(gòu)設(shè)計了波束偏轉(zhuǎn)器和渦旋相位板。超構(gòu)表面體現(xiàn)出對光場精細調(diào)控的能力，引起科研人員對于微納光子學(xué)器件濃厚的研究興趣，由此基于超構(gòu)表面的波片[66-69]、偏振調(diào)控全息[70-71]、特殊光場生成器[72-74]等器件被陸續(xù)提出。

在偏振成像領(lǐng)域，基于超構(gòu)表面的偏振器件可分為光柵型和透鏡型兩類[75]。光柵型偏振成像超構(gòu)表面將不同偏振態(tài)的光映射到光柵的不同衍射級次，通過搭配后置透鏡會聚光束到探測器焦平面，從而實現(xiàn)分孔徑型偏振成像；透鏡型偏振成像超構(gòu)表面則將入射光按照預(yù)設(shè)的偏振態(tài)分束，并分別會聚到指定焦點位置處，可實現(xiàn)分焦平面型或分孔徑型偏振成像。兩者均有望代替亞波長金屬線柵集成到偏振成像系統(tǒng)中，并突破后者的能量利用效率極限。盡管超構(gòu)表面能對TM 偏振光和TE 偏振光進行空間復(fù)用，但其能量利用效率的提升并非一蹴而就。構(gòu)成超構(gòu)表面的基本單元經(jīng)歷了從等離激元結(jié)構(gòu)，到間隙表面等離激元結(jié)構(gòu)，最后到全電介質(zhì)結(jié)構(gòu)的演變過程。

2.1 基于等離激元結(jié)構(gòu)

早期的超構(gòu)表面采用金或銀等金屬材料作為其結(jié)構(gòu)材料，這是因為它們具有高的電子密度和電導(dǎo)率，使其在紅外或微波波段具有良好的性能表現(xiàn)[76]。但在可見光波段，電磁波頻率接近自由電子共振頻率，電磁波入射金屬結(jié)構(gòu)會引起金屬內(nèi)部自由電子的集體振蕩，即等離激元現(xiàn)象[77]，導(dǎo)致入射波能量轉(zhuǎn)化為自由電子振動能量，從而使基于等離激元結(jié)構(gòu)的超構(gòu)表面體現(xiàn)出很強的金屬損耗，通常其能量利用效率不會超過10%[78-79]。為提高超構(gòu)表面的能量利用效率，研究人員采用間隙表面等離激元結(jié)構(gòu)設(shè)計超構(gòu)表面[80]。間隙表面等離激元（Gap-Surface Plasmon，GSP）結(jié)構(gòu)是在金屬納米諧振器和金屬膜層之間插入亞波長厚度的電介質(zhì)隔層[81]，通過電介質(zhì)隔層上下兩側(cè)的表面等離激元耦合實現(xiàn)光場增強[82-83]，從而提高器件的光能利用效率。2015 年，南丹麥大學(xué)的Pors 等[84]基于GSP 結(jié)構(gòu)研制了近紅外波段全斯托克斯光柵型偏振分光超構(gòu)表面，如圖1（彩圖見期刊電子版）所示。由圖1（a）可知，該光柵由3 組相互交織的微納結(jié)構(gòu)陣列構(gòu)成。如圖1（b）所示，每組陣列的相位梯度不同，可分別調(diào)控(x,y)、(a,b)、(l,r)正交偏振態(tài)，從而實現(xiàn)各組正交偏振態(tài)的分光反射。通過測定不同衍射方向的光強度，可以解構(gòu)入射光的全斯托克斯偏振參量。遺憾的是，未被分光的零級衍射光大約占據(jù)光能量的40%，導(dǎo)致器件的能量利用效率較低。同年，普渡大學(xué)的Shaltout 等[85]基于Au(30 nm) - Al2O3(50 nm) - Au(50 nm)的GSP 結(jié)構(gòu)制備了光柵型圓偏振分光超構(gòu)表面。該超構(gòu)表面利用光子自旋霍爾效應(yīng)實現(xiàn)左旋偏振光和右旋偏振光的反射分光，并具有角度色散的功能，如圖1（c）所示，可在1 500 mm處實現(xiàn)40%的能量利用效率。2017 年，南丹麥大學(xué)的Boroviks等[86]基于Au(50 nm) - SiO2(50 nm) - Au(150 nm)的GSP 結(jié)構(gòu)構(gòu)造了透鏡型偏振分光超構(gòu)表面，其能夠反射分離正交偏振態(tài)并聚焦于不同焦點位置，如圖1（d）所示。器件的工作波段為750～950 nm，偏振消光比達到30 dB，能量利用效率為65%。然而，基于等離激元結(jié)構(gòu)或間隙表面等離激元結(jié)構(gòu)的超構(gòu)表面，為實現(xiàn)較高的能量利用效率，需要工作于反射模式下[87-88]，這增加了器件與光學(xué)系統(tǒng)集成的難度[89]。

圖1 基于等離激元結(jié)構(gòu)和全電介質(zhì)結(jié)構(gòu)的超構(gòu)表面。（a）基于GSP 結(jié)構(gòu)的全斯托克斯偏振測定光柵型超構(gòu)表面[84]；（b）該光柵型超構(gòu)表面由3 組相位梯度不同的微納結(jié)構(gòu)陣列組成，可調(diào)控(x, y)、(a, b)、(l, r)正交偏振態(tài)[84]；（c）基于GSP 結(jié)構(gòu)的光柵型圓偏振分光超構(gòu)表面[85]；（d）基于GSP 的透鏡型偏振分光超構(gòu)表面[86]；（e）超構(gòu)單元包含2 種TiO2 微納結(jié)構(gòu)，分別調(diào)控左旋和右旋偏振光[92]；（f）圓二色性甲蟲外骨骼成像實驗[92]；（g）超像元由分別會聚x，y，a，b，l，r 偏振態(tài)的超構(gòu)透鏡組成[93]；（h）該超構(gòu)表面可作為Hartmann-Shack 波前傳感器，徑向偏振光的強度分布（左），解析得到的偏振輪廓圖（右）[93]Fig.1 Metasurfaces based on plasmonic and all dielectric structures.(a) Metagrating based on a GSP structure for the determination of full Stokes parameters[84]; (b) the metagrating consists three kinds of micro-nano structure arrays with different phase gradients, which can manipulate orthogonal polarization states (x, y), (a, b), (l, r)[84]; (c) circular polarization splitting GSP-based metagrating[85]; (d) polarization splitting and focusing metasurface GSP-based metalens[86];(e) meta-atom includes two kinds of TiO2 nano-micro structures manipulating left-handed and right-handed circular polarization light, respectively; (f) polarization image of the exoskeleton of a chiral beetle[92]; (g) meta-pixel is composed of metalenses focusing x，y，a，b，l，r polarization states, respectively[93]; (h) the metasurface can be served as Hartmann-Shack wavefront sensor, intensity distribution of radially polarized beam (left), and calculated polarization profile (right)[93]

2.2 基于全電介質(zhì)結(jié)構(gòu)

為進一步提高能量利用效率，并獲得可工作于透射模式的偏振分光超構(gòu)表面，研究人員考慮使用低損耗的電介質(zhì)材料作為超構(gòu)表面的結(jié)構(gòu)材料[90-91]。由于避免導(dǎo)體電子與光波作用產(chǎn)生的等離激元現(xiàn)象，電介質(zhì)結(jié)構(gòu)單元對光場的振幅和相位調(diào)制量隨結(jié)構(gòu)尺寸的變化較為平滑，不存在振幅相位突變點，這有助于結(jié)構(gòu)單元排列。2016 年，哈佛大學(xué)的Khorasaninejad 等[92]基于幾何相位原理設(shè)計了單透鏡型偏振分光超構(gòu)表面，通過間隔排列兩種不同的TiO2納米結(jié)構(gòu)陣列，實現(xiàn)左旋、右旋圓偏振光的分束聚焦功能，如圖1（e）所示。在線偏振光入射條件下，該器件的能量利用效率達到45%。為了得到合適的視場范圍以對甲蟲整體進行成像，器件的設(shè)計焦距為3 cm，導(dǎo)致較小的數(shù)值孔徑（NA=0.05），因而圖像分辨率較低。從圖1（f）的甲蟲外骨骼成像圖中可見：該透鏡型偏振分束超構(gòu)表面將探測器焦平面分為左右兩個部分，每個部分呈現(xiàn)偏振態(tài)不同的場景圖像，類似分孔徑型偏振成像系統(tǒng)得到的圖像。另一種工作模式是使超構(gòu)表面同時集成微偏振陣列和微透鏡陣列的功能，從而實現(xiàn)分焦平面型偏振成像。2018年，華中科技大學(xué)的楊振宇課題組[93]研制了一款硅基透鏡陣列型偏振濾光超構(gòu)表面，超構(gòu)表面的超像元由6 個分別聚焦x，y，a，b，l，r偏振態(tài)的超構(gòu)透鏡組成，如圖1（g）所示，通過獲取超像素焦點處的強度信息解算全斯托克斯偏振參量。由于光束的相位梯度會引起焦點位移，通過測量焦點偏移量(dx,dy)可還原入射光束的波前信息，因此該超構(gòu)表面也可作為Hartmann-Shack 波前傳感器，圖1（h）展示了徑向偏振光入射時，解析得到的偏振輪廓圖案。仿真結(jié)果表明：該器件在1 550 nm 偏振光入射下能達到60%的能量利用效率，但實測值僅為28%。仿真結(jié)果與測試結(jié)果不一致的原因在于：1.加工制造上存在誤差，若器件設(shè)計對形貌公差較為敏感，則會出現(xiàn)仿真結(jié)果和實測結(jié)果差異較大的情況；2.仿真過程利用了局部周期性假設(shè)，但實際上相鄰單元之間形狀各異，并非完全周期。

2.3 基于幾何相位和傳輸相位

由于電介質(zhì)材料具有較大的折射率和較小的衰減系數(shù)，因此電介質(zhì)超構(gòu)表面可以避免歐姆損耗和材料色散等問題[94]。此外，電介質(zhì)超構(gòu)表面的制造工藝與半導(dǎo)體金屬氧化物制造工藝兼容，有望實現(xiàn)光功能芯片和電子電路芯片的一體化集成[95-97]。然而，上述超構(gòu)表面設(shè)計通過交織排列對不同偏振態(tài)光進行調(diào)控的微納結(jié)構(gòu)陣列，從而實現(xiàn)多種偏振態(tài)的分束聚焦，這種分割孔徑的設(shè)計方法或?qū)纹衲B(tài)進行濾光的工作機理使其能量利用效率極限僅為50%，未能充分展現(xiàn)超構(gòu)表面多維光場聯(lián)合調(diào)控的優(yōu)勢。利用幾何相位和傳輸相位相結(jié)合的光場調(diào)控方法可實現(xiàn)對正交偏振態(tài)的同時調(diào)制，進而突破傳統(tǒng)方法的能量利用效率極限。對于幾何相位，電磁波在偏振態(tài)轉(zhuǎn)換過程中，各向異性結(jié)構(gòu)的幾何旋轉(zhuǎn)會使之產(chǎn)生一個額外的相位，由印度科學(xué)家Pancharatnam[98]于1956 年和英國理論物理學(xué)家Berry[99]于1984 年分別獨立研究發(fā)現(xiàn)，故也稱為Pancharatnam-Berry相位。具體推導(dǎo)如下[100]：假定偏振光沿主軸方向入射時不存在正交偏振轉(zhuǎn)換，即初始瓊斯矩陣副對角線上的元素為零。那么旋轉(zhuǎn)亞波長諧振單元的瓊斯矩陣J(θ)為：

因此，透射電場包含原偏振項（êL/R）和正交偏振項（êR/L），且旋轉(zhuǎn)單元對正交偏振項施加幾何相位2θ，從而實現(xiàn)入射光的自旋解耦相位調(diào)控。為使正交偏振項的轉(zhuǎn)換效率達到最大，通常要求結(jié)構(gòu)單元兩主軸復(fù)透射系數(shù)的模值相等且相位差為π，即令(to+te)等于零。傳輸相位是電磁波在結(jié)構(gòu)中傳播時所產(chǎn)生的相位，即(to-te)所攜帶的相位量，根據(jù)等效介質(zhì)理論，改變結(jié)構(gòu)占空比和單元高度可以控制傳輸相位。綜上所述，幾何相位和傳輸相位均為獨立的可調(diào)量，故可實現(xiàn)兩正交偏振態(tài)的同時調(diào)制。

2015 年，加州理工學(xué)院的Faraon 課題組[101]基于傳輸相位和幾何相位相結(jié)合的光場調(diào)控方法，利用非晶硅納米橢圓柱構(gòu)建超構(gòu)表面（圖2，彩圖見期刊電子版）。非晶硅納米橢圓柱具有2 個結(jié)構(gòu)自由度和1 個面內(nèi)旋轉(zhuǎn)自由度，能獨立對兩正交偏振態(tài)進行振幅和相位調(diào)控，如圖2（a）所示。該課題組分別設(shè)計了光柵型偏振分光超構(gòu)表面、透鏡型偏振分光超構(gòu)表面、偏振調(diào)控全息超構(gòu)表面和偏振調(diào)控特殊光場生成超構(gòu)表面，如圖2（b）所示。實驗結(jié)果表明：基于幾何相位和傳輸相位原理的非晶硅超構(gòu)表面，其能量利用效率在72%～97%，相較于此前的超構(gòu)表面有極大提升。此外，該文章的補充文檔詳細推導(dǎo)了電介質(zhì)超構(gòu)表面多維光場參量調(diào)控機理，指出：1.兩正交偏振方向任意的相位變換可用對稱且幺正的瓊斯矩陣進行表示；2.若可自由選擇單元對正交主軸方向偏振光施加的相位角(?x,?y)以及單元的面內(nèi)旋轉(zhuǎn)角θ，那么由此構(gòu)成的超構(gòu)表面，其瓊斯矩陣是對稱且幺正的。2018 年，該課題組[102]制備了全斯托克斯偏振測定的透鏡陣列型偏振分光超構(gòu)表面，其每個超像元對應(yīng)6 個探測器像元，包含3 個分別對(x,y)、(a,b)、(l,r)進行偏振分光的超構(gòu)透鏡，每個偏振分光超構(gòu)透鏡能對正交偏振態(tài)分束并聚焦到不同焦點位置，如圖2（c）所示。超像元周期性排列組合構(gòu)成整塊超構(gòu)表面，其與探測器集成后可用于偏振成像，如圖2（d）所示。但由于大尺寸超構(gòu)表面加工難度大，基于超構(gòu)表面偏振成像的圖像像素數(shù)遠小于常規(guī)偏振成像方法，前者圖像相較于后者略顯模糊。值得注意的是，實驗測定表明該超構(gòu)表面在可見光波段的能量利用效率為60%～65%，突破了亞波長金屬線柵的能量利用效率極限。

圖2 基于幾何相位和傳輸相位原理的全電介質(zhì)超構(gòu)表面。（a）由非晶硅納米橢圓柱構(gòu)建的超構(gòu)表面[101]；（b）光柵型偏振分光超構(gòu)表面、透鏡型偏振分光超構(gòu)表面、偏振調(diào)控全息超構(gòu)表面和偏振調(diào)控特殊光場生成超構(gòu)表面[101]；（c）透鏡陣列型偏振分光超構(gòu)表面[102]；（d）目標偏振圖案（左）、基于常規(guī)偏振成像方法得到的偏振圖案（中）、基于超構(gòu)表面得到的偏振圖案（右）[102]；（e）單透鏡型偏振分光超構(gòu)表面[103]；（f）3 塊偏振分光超構(gòu)透鏡拼成的超構(gòu)表面[104]；（g）6 種基本偏振態(tài)入射，超構(gòu)表面的偏振分束聚焦效果實驗與仿真的比較[104]Fig.2 All dielectric metasurface based on geometric phase and propagation phase theory.(a) The metasurface is composed of elliptical amorphous silicon posts[101]; (b) polarization splitting metagrating, polarization splitting metalens, polarization-dependent holographic metasurface and polarization-dependent special optical field metasurface[101]; (c) polarization splitting metalens array[102]; (d) targeted polarization mask (left), the fabricated mask imaged using conventional polarimetry (middle), the same mask imaged using the metasurface (right)[102]; (e) polarization splitting metalens[103]; (f)planar metasurface consisting of three polarization splitting metalenses[104]; (g) the comparison of measured and simulated results of the metasurface focusing effect with the incidence of six basic polarization states[104]

傳輸相位和幾何相位相結(jié)合用于調(diào)控光場的方法，也可用于構(gòu)造單透鏡型偏振分光超構(gòu)表面，實現(xiàn)分孔徑偏振成像。2019 年，中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所的羅先剛課題組[103]研制了工作于長波紅外波段的單透鏡型偏振分光超構(gòu)表面。其通過交織排列對線偏振光調(diào)控和對圓偏振光調(diào)控的微納結(jié)構(gòu)陣列，將x，y，l，r偏振態(tài)的光會聚到焦平面的4 個象限處，如圖2（e）所示。實驗結(jié)果表明其在10.6 μm 波長的能量利用率為53%。遺憾的是，上述4 種偏振態(tài)僅可測定部分斯托克斯偏振參量。2022 年，南京大學(xué)的Ren 等[104]將超構(gòu)表面分為3 塊區(qū)域，分別為(x,y)、(a,b)、(l,r)用于對正交偏振態(tài)進行偏振分光，如圖2（f）所示。結(jié)合探測器焦平面，該超構(gòu)表面能實現(xiàn)全斯托克斯偏振測定的功能，各偏振通道之間沒有明顯的串?dāng)_，如圖2（g）所示，實驗結(jié)果表明其在530 nm 工作波段下的能量利用效率為54%。

2.4 超構(gòu)表面系統(tǒng)集成研究

器件研究的最終目的是其系統(tǒng)集成。2019年，哈佛大學(xué)的Rubin 等[105]基于矩陣傅立葉光學(xué)設(shè)計光柵型偏振分光超構(gòu)表面，并將其集成于相機系統(tǒng)，實現(xiàn)偏振成像。不同于傳輸相位和幾何相位相結(jié)合的超構(gòu)表面設(shè)計方法，基于矩陣傅立葉光學(xué)的光柵型偏振分光超構(gòu)表面可定制分光任意偏振態(tài)，如圖3（a）所示，通過搭配后置透鏡可實現(xiàn)分孔徑型偏振成像，如圖3（b）所示。該課題組研制的偏振相機能對4 種非常規(guī)偏振態(tài)進行成像，4 種非常規(guī)偏振態(tài)如圖3（c）所示，相機系統(tǒng)及其成像效果如圖3（d-f）所示。2022 年，該課題組[106]基于同樣原理研制了全斯托克斯偏振測定功能模塊，可直接裝配到手機鏡頭前，如圖3（g）所示，使偏振成像超構(gòu)表面向產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用更邁進一步。

圖3 基于矩陣傅立葉光學(xué)的光柵型偏振分光超構(gòu)表面的原理、成像及系統(tǒng)。（a）光柵型偏振分光超構(gòu)表面原理圖[105]；（b）搭配后置透鏡和探測器可實現(xiàn)偏振成像[105]；（c）4 種非常規(guī)偏振態(tài)[105]；（d）集成該超構(gòu)表面的全斯托克斯偏振成像系統(tǒng)[105]；（e）偏振測定圖像[105]；（f）偏振角圖像[105]；（g）全斯托克斯偏振測定模塊[106]Fig.3 Theory, imaging and system of a polarimetric metagrating based on matrix Fourier optics.(a) Theoretical model of a polarimetric metagrating[105]; (b)combination with a rear lens and a detector can achieve polarization imaging[105]; (c) four kinds of unconventional polarization states[105]; (d) full Stokes polarization imaging system integrated with the metagrating[105]; (e) polarimetric measurement image[105]; (f) angle of polarization image[105]; (g) full Stokes polarimetric module[106]

本節(jié)以能量利用效率為主線，介紹基于等離激元結(jié)構(gòu)和全電介質(zhì)結(jié)構(gòu)的偏振成像超構(gòu)表面。兩種超構(gòu)表面按照其功能形式，可分為光柵型和透鏡型，透鏡型偏振成像超構(gòu)表面根據(jù)其結(jié)構(gòu)形式又可分為單透鏡型和透鏡陣列型；按照其工作機制，可分為濾光型和分光型。表1 列出了本節(jié)詳細闡述的超構(gòu)表面的工作波段、能量效率、工作模式、制備材料、加工工藝及其功能形式。

表1 本節(jié)詳細闡述的超構(gòu)表面特性比較Tab.1 Features comparison of elaborated metasurfaces in this section

3 未來發(fā)展方向

不論何種功能類型的超構(gòu)表面器件，其底層機理都是微納結(jié)構(gòu)單元在該點處對光場兩正交偏振方向的振幅和相位調(diào)制，最終使得整塊超構(gòu)表面的光學(xué)響應(yīng)等于各離散點光學(xué)響應(yīng)在空間上的線性疊加，因此超構(gòu)表面的設(shè)計可以歸結(jié)于超構(gòu)單元及其排列方式的設(shè)計。超構(gòu)表面的未來發(fā)展就是以超構(gòu)單元為切入點，對其材料、性態(tài)、結(jié)構(gòu)、排列等屬性進行優(yōu)化，例如耦合波導(dǎo)超構(gòu)單元設(shè)計、機器學(xué)習(xí)輔助超構(gòu)單元排列、基于活性材料的超構(gòu)單元設(shè)計等。面向偏振成像的超構(gòu)表面在上述發(fā)展趨勢的共性中體現(xiàn)出個性，表現(xiàn)為對工作波段、偏振性能、設(shè)計效率和可調(diào)特性的緊密關(guān)切。目前，超構(gòu)透鏡是超構(gòu)表面產(chǎn)業(yè)化的主流方向，許多寬帶消色差、機器學(xué)習(xí)輔助設(shè)計和動態(tài)可調(diào)研究是針對超構(gòu)透鏡的，但是“千舉萬變，其道一也”，面向超構(gòu)透鏡的優(yōu)化設(shè)計方法對偏振成像超構(gòu)表面也極具參考價值，尤其是透鏡型偏振成像超構(gòu)表面。本節(jié)將介紹超構(gòu)透鏡在寬帶消色差、機器學(xué)習(xí)輔助設(shè)計和動態(tài)可調(diào)方面的研究工作，并著重闡述這些研究方法對偏振成像超構(gòu)表面所具備的可遷移性。

3.1 大帶寬消色差偏振成像超構(gòu)表面

超構(gòu)表面器件具有色散效應(yīng)，一方面是由于電磁波傳播過程中的累積相位與波長相關(guān)，另一方面是超構(gòu)單元的電磁響應(yīng)特性受波長影響[107-108]。不同于傳統(tǒng)折射光學(xué)元件，超構(gòu)表面對電磁波的偏折角隨波長增大而增大，呈現(xiàn)反常色散現(xiàn)象。對于超構(gòu)透鏡，其波長依賴的焦距導(dǎo)致像平面產(chǎn)生色差，嚴重影響成像質(zhì)量。目前已有許多針對超構(gòu)透鏡的寬帶消色差方法，主要思路是使各個位置處超構(gòu)單元的色散特性滿足超構(gòu)透鏡隨波長變化的聚焦相位需求[109]。2015 年，哈佛大學(xué)的Aieta 等[110]利用耦合矩形電介質(zhì)諧振器調(diào)控單元的近場耦合模式（圖4，彩圖見期刊電子版），如圖4（a）所示，從而操縱透射場的振幅和相位特性，通過空間排布不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的耦合單元滿足相位補償條件C(ω)，實現(xiàn)了在1 200 nm、1 550 nm和1 800 nm 波長處的消色差超構(gòu)透鏡。2017 年，南京大學(xué)的祝世寧團隊[111]將超構(gòu)透鏡的聚焦相位拆分為頻率無關(guān)的基礎(chǔ)相位和頻率相關(guān)的色散相位，如圖4（b）所示。基礎(chǔ)相位由幾何相位實現(xiàn)，色散相位由微納金屬結(jié)構(gòu)單元的耦合共振相位進行補償[112]。這些特殊設(shè)計的微納金屬結(jié)構(gòu)單元存在多個共振峰，可實現(xiàn)一系列不同斜率的線性相位補償，如圖4（c）所示?；诖朔妒?，該團隊實現(xiàn)了1 200～1 600 nm 波段的寬帶消色差反射式超構(gòu)透鏡，器件直徑為55.5 μm，焦距為100 μm。

圖4 寬帶消色差偏振分光超構(gòu)表面。（a）耦合矩形電介質(zhì)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)[110]；（b）聚焦相位可分為基礎(chǔ)相位和色散相位[111]；（c）特殊設(shè)計的微納金屬結(jié)構(gòu)單元存在數(shù)個諧振峰[111]；（d）實驗和仿真得到的2 種偏振態(tài)下超構(gòu)透鏡焦長隨波長的變化情況[113]；（e）2 種線偏振光入射時測得的散射場強度分布圖[113]；（f）近紅外波段消色差多維探測超構(gòu)透鏡陣列[115]；（g）XLP 和LCP 入射時測得的散射場強度分布圖[115]Fig.4 Broadband achromatic polarization splitting metasurfaces.(a) Coupled rectangular dielectric resonators[110]; (b) the focusing phase can be divided into the basic phase and the chromatic phase[111]; (c) there are several resonant peaks in the specially designed micro-nano metallic structure element[111]; (d) measured and simulated focal lengths as a function of wavelength for both polarizations[113]; (e) measured intensity profiles along with longitudinal directions at various incident wavelengths.The left panel is for x-polarized incidence and the right panel is for y-polarization incidence[113];(f) near-infrared achromatic metalens array for multiparameter detection[115]; (g) measured intensity profiles under incidence of XLP and LCP light[115]

透鏡型偏振成像超構(gòu)表面的設(shè)計原理與超構(gòu)透鏡類似，不同之處在于前者的焦點位置與入射光波偏振特性相關(guān)。這是通過各向異性超構(gòu)單元的雙折射效應(yīng)實現(xiàn)的，由此單元排列而成的超構(gòu)表面對正交偏振態(tài)呈現(xiàn)出兩種獨立的相位分布和振幅調(diào)制。因此參考超構(gòu)透鏡的寬帶消色差方法，透鏡型偏振分光超構(gòu)表面寬帶消色差的關(guān)鍵在于引入偏振相關(guān)的相位補償。2020 年，中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所的歐凱等[113-114]創(chuàng)新性地提出了用于中波紅外偏振探測的寬帶消色差透鏡型偏振分光超構(gòu)表面設(shè)計方法，引入?yún)⒖枷辔籆//,⊥(ω)以提供一個額外的優(yōu)化自由度。其中C//,⊥(ω)的取值取決于超構(gòu)單元的色散曲線，通過定義最小誤差因數(shù)以在超構(gòu)單元數(shù)據(jù)庫中挑揀最優(yōu)單元，并在設(shè)計波段內(nèi)密集采樣以近似大帶寬連續(xù)。由此研制的透鏡型偏振分光超構(gòu)表面可在3.5～5 μm 波段范圍內(nèi)實現(xiàn)恒定200 μm 焦距，如圖4（d）所示，器件直徑為100 μm，實驗得到的聚焦效果如圖4（e）所示。2021 年，華中科技大學(xué)的楊振宇課題組[115]利用線性方程擬合超構(gòu)單元的相位-頻率曲線，挑選擬合誤差小于1%的超構(gòu)單元構(gòu)建結(jié)構(gòu)單元數(shù)據(jù)庫，從而實現(xiàn)在1 310～1 550 nm 波段范圍內(nèi)同時監(jiān)測偏振輪廓和相位梯度的多維探測消色差超構(gòu)透鏡陣列（Achromatic Metalens Array，AMLA），如圖4（f）所示。實驗聚焦效果如圖4（g）所示，其中會聚線偏振光的超構(gòu)透鏡采用消色差設(shè)計方法，會聚左旋圓偏振的超構(gòu)透鏡采用幾何相位設(shè)計方法，這是因為幾何相位原理上具有一定的消色差特性。

上述研究提出的寬帶消色差透鏡型偏振分光超構(gòu)表面設(shè)計已初見成效，然而超構(gòu)表面的尺寸與其消色差范圍存在內(nèi)稟的制約關(guān)系[116]，致使該類器件尺寸十分有限。為突破參量間的制約關(guān)系進而提升超構(gòu)表面的綜合性能，還需要對超構(gòu)單元調(diào)制方式進行機理性研究。

3.2 機器學(xué)習(xí)輔助超構(gòu)表面設(shè)計

盡管已有一些經(jīng)典的物理模型對超構(gòu)表面的工作原理作出解釋，并指導(dǎo)超構(gòu)單元的結(jié)構(gòu)設(shè)計及其排列方式，然而隨著人們對超構(gòu)表面要求的不斷提高，結(jié)構(gòu)單元更加復(fù)雜、結(jié)構(gòu)數(shù)量指數(shù)上升、結(jié)構(gòu)分布更加任意，這些都使得嚴格從物理模型推導(dǎo)超構(gòu)表面的設(shè)計方法已經(jīng)不能滿足人們的需求，必須借助算法來優(yōu)化和設(shè)計超構(gòu)表面[117]。機器學(xué)習(xí)是一種人工智能實現(xiàn)方法，近年來被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究、醫(yī)藥診斷、經(jīng)濟分析等領(lǐng)域。其通過數(shù)據(jù)驅(qū)動的思想建模，不直接引入人為設(shè)定的規(guī)則，而是從大量數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)得到研究目標的規(guī)律和特征，為微納光子學(xué)器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了嶄新的方向[118]。

機器學(xué)習(xí)方法可通過優(yōu)化微納光子學(xué)器件的結(jié)構(gòu)排布實現(xiàn)器件性能的優(yōu)化。2016 年，猶他大學(xué)的Menon 團隊[119]基于標量衍射光學(xué)理論設(shè)計了類超構(gòu)表面的可見光波段消色差多階衍射透鏡，如圖5（a）（彩圖見期刊電子版）所示。通過修正的二分搜索方法[120]迭代透鏡的臺階深度分布，從而在權(quán)衡聚焦效率和誤差的同時優(yōu)化結(jié)構(gòu)排布，器件在450～690 nm 范圍內(nèi)的橫向和軸向離焦分別為1.65 μm 和73.6 μm，優(yōu)化算法流程如圖5（b）所示。2019 年，該團隊[121]通過該算法進一步實現(xiàn)了長波紅外波段的消色差高空間分辨率多階衍射透鏡[122]。偏振成像超構(gòu)表面作為一種新興的微納光子學(xué)器件，為提高其光學(xué)性能并實現(xiàn)高效設(shè)計和快速迭代更新，研究人員將機器學(xué)習(xí)方法引入偏振成像超構(gòu)表面設(shè)計中。

圖5 基于機器學(xué)習(xí)的微納光子學(xué)器件設(shè)計。（a）可見光波段消色差多階衍射透鏡[119]；（b）二分搜索算法流程[119];（c）逆向設(shè)計神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[124]；（d）透鏡型偏振分光超構(gòu)表面[124]；（e）端到端的統(tǒng)計機器學(xué)習(xí)框架[126]；（f）多頻率點透鏡型偏振分光超構(gòu)表面的仿真和實驗效果[126]Fig.5 Metasurface design based on machine learning.(a) Visible chromatic multilevel diffractive lens[119]; (b) flow chart of the direct binary search algorithm[119]; (c) inverse design network[124]; (d) polarization splitting metalens[124]; (e) end-toend statistical machine learning framework[126]; (f) simulated and measured results of four-frequency polarization splitting metalenses[126]

基于物理模型的超構(gòu)表面設(shè)計方法首先根據(jù)器件功能的需要，計算出超構(gòu)表面各點所需的振幅調(diào)制和相位突變量，通過數(shù)值仿真軟件掃描超構(gòu)單元結(jié)構(gòu)參數(shù)，得到不同形狀超構(gòu)單元及其光學(xué)響應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，從數(shù)據(jù)庫中挑選最符合預(yù)期的結(jié)構(gòu)單元。但當(dāng)超構(gòu)單元結(jié)構(gòu)參數(shù)較多、步長劃分較細時，基于全模數(shù)值仿真方法的超構(gòu)表面設(shè)計周期很長[123]。2021 年，浙江大學(xué)的Gu 等[124]使用少量由數(shù)值仿真得到的結(jié)構(gòu)單元-電磁響應(yīng)數(shù)據(jù)集訓(xùn)練深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)，利用訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)細化參數(shù)掃描結(jié)果，輸入期望的光學(xué)響應(yīng)即可檢索得到相應(yīng)的結(jié)構(gòu)單元，深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)模型架構(gòu)如圖5（c）所示。該團隊在88 分鐘內(nèi)獲取441 組仿真數(shù)據(jù)，10 秒完成深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練，并即刻生成3602的結(jié)構(gòu)單元-電磁響應(yīng)數(shù)據(jù)集，設(shè)計效率遠高于傳統(tǒng)全模仿真方法，并基于該數(shù)據(jù)集設(shè)計了透鏡型偏振分光超構(gòu)表面，如圖5（d）所示，其工作波長為532 nm，TE 偏振光焦距為30 μm，TM 偏振光焦距為40 μm，器件直徑為20 μm。

上述逆向設(shè)計網(wǎng)絡(luò)將電磁響應(yīng)作為輸入，超構(gòu)單元結(jié)構(gòu)參數(shù)作為輸出。但由期望的相位響應(yīng)找到超構(gòu)單元的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)并非是一個簡單的反問題，特別是在考慮多頻率點和偏振的情況下。例如，對于給定的相位要求是否存在物理上可行的超構(gòu)單元結(jié)構(gòu)，或者如何充分利用參數(shù)空間以最優(yōu)近似這樣的相位要求，均是逆向設(shè)計網(wǎng)絡(luò)需要克服的難題[125]。2022 年，浙江大學(xué)的Ma等[126]通過基于端到端的統(tǒng)計機器學(xué)習(xí)模型框架將超構(gòu)表面的多功能復(fù)合性能推至其物理極限。該統(tǒng)計機器學(xué)習(xí)模型即是由前向設(shè)計網(wǎng)絡(luò)和逆向設(shè)計網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)而成，先由逆向設(shè)計網(wǎng)絡(luò)根據(jù)給定電磁響應(yīng)提取超構(gòu)單元結(jié)構(gòu)參數(shù)，再利用前向設(shè)計網(wǎng)絡(luò)由得到的結(jié)構(gòu)參數(shù)預(yù)測其電磁響應(yīng)，這種級聯(lián)架構(gòu)相比單一的逆網(wǎng)絡(luò)在收斂性上具有更好的表現(xiàn)[127]，其工作流程如圖5（e）所示?；诖思軜?gòu)，該團隊利用由3 個耦合矩形諧振器構(gòu)成的超構(gòu)單元實現(xiàn)了能在近紅外波段4 個波長處進行正交偏振分束聚焦的超構(gòu)表面器件，其仿真和實驗效果如圖5（f）所示。

盡管機器學(xué)習(xí)模型可以在海量數(shù)據(jù)的支持下不斷迭代優(yōu)化性能，但傳統(tǒng)的機器學(xué)習(xí)僅適用于特定的特征空間和數(shù)據(jù)分布，針對不同任務(wù)缺乏泛化能力[128]，在物理本質(zhì)相近但應(yīng)用場景稍有不同的情境下即面臨失效的風(fēng)險。目前，超構(gòu)表面設(shè)計領(lǐng)域的機器學(xué)習(xí)模型通常用于結(jié)構(gòu)單元的尺寸優(yōu)化，而難以實現(xiàn)其形狀優(yōu)化，但不同形狀超構(gòu)單元因具有不同的電磁耦合模式而在大帶寬消色差、大入射角范圍、高偏振消光比超構(gòu)表面設(shè)計中起到關(guān)鍵作用。因此，增強機器學(xué)習(xí)模型在不同超構(gòu)單元形狀間的遷移能力，并使其實現(xiàn)多耦合結(jié)構(gòu)超構(gòu)單元的電磁響應(yīng)預(yù)測是該領(lǐng)域未來需要探究的方向之一。此外，目前機器學(xué)習(xí)方法優(yōu)化得到的模型參數(shù)不具備可解釋性[129]，其設(shè)計結(jié)果難以幫助研究者參透器件設(shè)計的真正奧義，如果沒有底層地對器件機理的深入了解，超構(gòu)表面性能提升終將迎來瓶頸。因此，如何從機器學(xué)習(xí)模型中提取其物理含義或增強機器學(xué)習(xí)模型的可解釋性是該領(lǐng)域至關(guān)重要的命題。

3.3 動態(tài)可調(diào)偏振成像超構(gòu)表面

大多數(shù)超構(gòu)表面的材料和結(jié)構(gòu)一旦固定下來，其功能往往也是確定的。但某些應(yīng)用場合要求超構(gòu)表面具有焦距動態(tài)可調(diào)的能力[130]，例如：在顯微成像、目標探測等領(lǐng)域，需要成像系統(tǒng)具有可調(diào)的視場范圍和成像放大率[131]；在極端工作溫度環(huán)境中，需要成像系統(tǒng)能補償因環(huán)境溫度偏離預(yù)設(shè)工作溫度而導(dǎo)致的光學(xué)離焦[132-133]。目前，商業(yè)變焦鏡頭是在鏡頭中加入一組活動透鏡實現(xiàn)變焦[134-135]，但其驅(qū)動機構(gòu)體積龐大，致使成像系統(tǒng)集成困難。焦距動態(tài)可調(diào)超構(gòu)透鏡為集成式變焦成像系統(tǒng)提供了一種解決方案。

焦距動態(tài)可調(diào)超構(gòu)透鏡主要基于結(jié)構(gòu)重組和活性材料兩種方法[59]?；诮Y(jié)構(gòu)重組的焦距動態(tài)可調(diào)超構(gòu)透鏡通過改變結(jié)構(gòu)單元的排列、形狀和方向，使得局部場態(tài)或整個系統(tǒng)的光學(xué)響應(yīng)隨之變化。結(jié)構(gòu)重組通常利用柔性拉伸材料或微機電系統(tǒng)（MEMS）。2016 年，賓夕法尼亞大學(xué)的Ee等[136]在可拉伸聚二甲基硅烷（PDMS）基底上制備金納米柱陣列，通過拉伸柔性基底改變金納米單元之間的間隔，從而實現(xiàn)超構(gòu)透鏡焦距的調(diào)節(jié)。當(dāng)拉伸應(yīng)變?yōu)?.3 時，超構(gòu)透鏡的焦距從150 μm 延伸到250 μm，如圖6（a）（彩圖見期刊電子版）所示。由于拉伸過程中，納米單元的間距始終保持在亞波長量級（400～520 nm），因此器件的能量透過率不會受到顯著的影響。但對柔性基底拉伸實現(xiàn)動態(tài)可調(diào)器件的研究往往面臨這樣的困難：器件在長時間應(yīng)力作用下發(fā)生蠕變，導(dǎo)致其重復(fù)性和穩(wěn)定性不佳[137]。2018 年，加州理工學(xué)院Faraon 課題組[138]基于MEMS 靜電驅(qū)動技術(shù)，制備了縱向間距可調(diào)的超構(gòu)透鏡組，如圖6（b）（彩圖見期刊電子版）所示。超構(gòu)透鏡組包含會聚透鏡和發(fā)散透鏡，實驗測定其焦距變化范圍為565～629 μm，變焦頻率可達到4 kHz。

圖6 焦距動態(tài)可調(diào)超構(gòu)透鏡。（a）基于柔性基底的動態(tài)可調(diào)超構(gòu)透鏡[136]；（b）縱向間距可調(diào)的超構(gòu)透鏡組，原理示意圖（左）、器件的光學(xué)顯微鏡圖像（右上）、兩超構(gòu)透鏡鍵合示意圖（右下）[138]；（c）液晶浸潤實現(xiàn)焦點動態(tài)調(diào)制[141]；（d）基于超低損耗相變材料Sb2S3 的近紅外熱調(diào)控變焦超構(gòu)透鏡[143]；（e）環(huán)向拉伸實現(xiàn)焦距動態(tài)可調(diào)偏振分光超構(gòu)透鏡；（f）器件焦距和能量透射率隨單元周期的變化曲線；（g）不同單元周期下電場能量隨縱軸方向的變化曲線Fig.6 Metalens with dynamically tunable focal length.(a) Dynamically tunable metasurface based on a flexible substrate[136];(b) a group of metasurfaces with adjustable longitudinal spacing, schematic diagram (left), optical microscopy image of device (top right), illustration of the bonding of two metasurfaces (bottom right)[138]; (c) dynamically tuning the focal length through liquid crystal infiltration[141]; (d) near-infrared thermally modulated varifocal metalens based on a lowlosses phase change material Sb2S3[143]; (e) polarization splitting metalens with a dynamically tunable focal length by circumferential stretching; (f) the variation curves of focal length and transmission with unit period; (g) the variation curves of the electric field intensity with the longitudinal direction at different unit periods

基于活性材料（Active Materials，AMs）的超構(gòu)透鏡，將活性材料作為超構(gòu)透鏡的功能單元或周圍環(huán)境介質(zhì)的一部分，利用活性材料的光學(xué)參數(shù)可隨電、磁、熱等外部激勵而變化的特性，實現(xiàn)動態(tài)調(diào)焦。典型的活性材料有液晶、半導(dǎo)體、相變材料、石墨烯等[139-140]。2020 年，美國凱斯西儲大學(xué)的Lininger 等[141]將超構(gòu)表面與液晶技術(shù)相結(jié)合，利用納米力使液晶在這些微柱之間浸潤，如圖6（c）（彩圖見期刊電子版）所示，從而改變超構(gòu)表面的局部折射率，實現(xiàn)焦點位置的動態(tài)調(diào)制，但液晶浸潤的方式會導(dǎo)致焦點半峰全寬的增大和斯特列爾比的降低。2021 年，華南師范大學(xué)的韋中超課題組[142]利用鈦酸鋇（BaTiO3，BTO）的光電效應(yīng)，使用電壓調(diào)控BTO 納米柱的復(fù)折射率，從而改變超構(gòu)透鏡的相位分布，實現(xiàn)10～50 μm 焦距變化。同年，該課題組[143]提出一種基于超低損耗相變材料Sb2S3的近紅外熱調(diào)控變焦超構(gòu)透鏡，通過對導(dǎo)電層施加電流脈沖加熱Sb2S3，實現(xiàn)其在非晶態(tài)和晶態(tài)間的可逆切換。由于Sb2S3實部折射率在晶態(tài)和非晶態(tài)之間的差異為0.6，因此可用于調(diào)控超構(gòu)透鏡的聚焦特性，如圖6（d）（彩圖見期刊電子版）所示。然而，基于活性材料的超構(gòu)透鏡動態(tài)調(diào)焦技術(shù)，普遍面臨光學(xué)效率較低、成像質(zhì)量下降、可調(diào)元素驅(qū)動條件苛刻等難題[144]。

為驗證焦距動態(tài)可調(diào)超構(gòu)透鏡設(shè)計方法對偏振成像超構(gòu)表面具有可遷移性，本文基于傳輸相位原理設(shè)計將正交線偏振態(tài)分束聚焦的全硅超構(gòu)表面，利用有限時域差分方法（FDTD）仿真研究拉伸基底時透鏡型偏振分光超構(gòu)表面的聚焦特性。邊界條件在軸向方向設(shè)置為理想匹配層（PML），以模擬電磁波經(jīng)超構(gòu)器件調(diào)控后向無窮遠傳輸?shù)那闆r，在周向方向設(shè)置為周期性邊界條件，以模擬超構(gòu)透鏡陣列式排布，PML 輪廓設(shè)置為‘steep angle’以增強PML 邊界對電磁波的吸收；光源為波長10.6 μm 沿軸向傳輸?shù)钠矫娌?；監(jiān)視器設(shè)置在器件近場位置，以便根據(jù)近場電磁響應(yīng)推算遠場電磁分布；單元周期為4.8 μm，硅柱高度為8.4 μm，設(shè)計焦距為41.2 μm，數(shù)值孔徑為0.8。仿真過程中假設(shè)器件周向拉伸時硅柱應(yīng)變量等同于基底應(yīng)變量。水平偏振光入射該超構(gòu)表面的仿真結(jié)果如圖6（f）（彩圖見期刊電子版）所示，當(dāng)單元周期Λ 因環(huán)向拉伸從4.6 μm 變化到5.2 μm 時，其焦距從38.4 μm 增長至52.2 μm，透過率從44.2%下降至40.3%；當(dāng)單元周期處于4.8 μm±0.2 μm 的工作波段內(nèi)，超構(gòu)表面能保持較高的聚焦效率；當(dāng)單元周期大于5 μm 時，超構(gòu)表面聚焦效率明顯下降，如圖6（g）（彩圖見期刊電子版）所示。對于豎直偏振光入射也能得到如上結(jié)論，且其焦點始終與水平偏振光入射對應(yīng)的焦點保持在同一焦平面上。由此可知，該透鏡型偏振分光超構(gòu)表面在設(shè)計周期的±5%范圍內(nèi)變化時，兩正交線偏振態(tài)的焦距與器件應(yīng)變量大致保持線性變化關(guān)系，故可利用機械拉伸實現(xiàn)偏振成像超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)重組，從而達到焦距動態(tài)可調(diào)的目的。然而，這種直接基底拉伸的方法存在焦距動態(tài)可調(diào)范圍小，拉伸過程中容易造成器件損傷等缺點，因此未來還需探究多偏振成像超構(gòu)表面組或基于活性材料的偏振成像超構(gòu)表面等無損調(diào)焦方法。

4 總結(jié)與展望

4.1 總 結(jié)

物體表面散射光的偏振態(tài)蘊含其形貌特征及理化特性等信息，使得偏振成像技術(shù)在目標探測、水下成像、生命科學(xué)、環(huán)境監(jiān)測、三維成像等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。偏振分光棱鏡、染料系偏振片等傳統(tǒng)偏振器件難以滿足高集成、高性能、高可靠性偏振成像系統(tǒng)的需求。隨著微納制造技術(shù)的發(fā)展，微納結(jié)構(gòu)偏振器件因其良好的光學(xué)性能和可靠的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，得到科研人員的青睞。亞波長金屬線柵被證實具有較寬的工作波段，能在較大的入射角范圍和溫度范圍內(nèi)具有優(yōu)異的偏振性能。利用等效介質(zhì)理論可以較準確解釋其光學(xué)性能。較少的可調(diào)參數(shù)允許有限時域差分（FDTD）或嚴格耦合波分析（RCWA）方法可快速尋找到最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)解，使得該類器件的設(shè)計和優(yōu)化過程較為簡單。納米壓印技術(shù)使得該類器件可進行批量生產(chǎn)[145-146]，雙光束干涉曝光方法支持該類器件的快速制樣[147]，因此亞波長金屬線柵的產(chǎn)品化、系列化已較為成熟。然而，亞波長金屬線柵僅利用了入射光中的TM 偏振模式，原理上存在50%的能量利用效率極限?；趤啿ㄩL金屬線柵的偏振成像系統(tǒng)在低光能量的雜亂場景中難以達到預(yù)期的成像效果。二維超構(gòu)材料，即超構(gòu)表面，兼具工藝易施性和多維光場參量調(diào)控能力，可以獨立調(diào)控入射光中的TM 偏振和TE 偏振分量，從而突破亞波長金屬線柵的能量利用效率極限。

面向偏振成像應(yīng)用的超構(gòu)表面，可分為光柵型和透鏡型兩類，兩者均可集成于偏振成像系統(tǒng)。為實現(xiàn)高能量利用效率偏振器件，超構(gòu)表面單元結(jié)構(gòu)從最初的等離激元結(jié)構(gòu)，發(fā)展到間隙表面等離激元結(jié)構(gòu)和全電介質(zhì)結(jié)構(gòu)。等離激元結(jié)構(gòu)超構(gòu)表面因其本征的歐姆損耗導(dǎo)致其能量利用效率不超過10%；間隙表面等離激元結(jié)構(gòu)利用電介質(zhì)隔層兩面的表面等離激元耦合實現(xiàn)光場增強，但僅工作于反射模式下，且此類諧振式超構(gòu)表面的工作帶寬較窄[148]；全電介質(zhì)結(jié)構(gòu)基于幾何相位和傳輸相位結(jié)合的光場調(diào)控原理，可實現(xiàn)高能量利用效率的透射式偏振器件。未來為實現(xiàn)偏振成像超構(gòu)表面器件的產(chǎn)品化，還需探究寬帶消色差、機器學(xué)習(xí)輔助設(shè)計、功能動態(tài)可調(diào)的偏振成像超構(gòu)表面設(shè)計方法。

4.2 集成超構(gòu)表面的分焦平面型偏振成像系統(tǒng)

2019 年，Capasso 課題組[105]搭建集成全電介質(zhì)光柵型超構(gòu)表面的分孔徑型偏振成像系統(tǒng)，實現(xiàn)超構(gòu)表面在系統(tǒng)集成領(lǐng)域的里程碑式突破。然而，分孔徑型偏振成像系統(tǒng)將不同偏振態(tài)的圖像映射到焦平面的不同區(qū)域，存在焦平面分辨率損失的缺點。此外，為解析場景偏振態(tài)，通常要求幾幅圖像的配準誤差小于1/10 個像素[149]，這與分孔徑成像系統(tǒng)固有的視場誤差相矛盾，需要后期對圖像進行配準處理。分焦平面偏振成像系統(tǒng)可以克服分孔徑型偏振成像系統(tǒng)的缺點，焦平面上分像素級的互異偏振態(tài)成像，不僅允許使用插值算法恢復(fù)其圖像分辨率[150-151]，而且其視場誤差滿足偏振態(tài)重構(gòu)的需求。透鏡陣列型偏振成像超構(gòu)表面因具有像素級的分偏振態(tài)會聚能力，有望構(gòu)建分焦平面偏振成像系統(tǒng)，且其能提供數(shù)倍于波長的焦距，可避免傳統(tǒng)亞波長金屬線柵與探測器復(fù)雜的對準貼裝工藝。然而，器件的焦點和探測器的感光像元存在一一對應(yīng)關(guān)系，對器件的位置精度提出極高要求。此外，設(shè)計焦距可能達到超構(gòu)表面本身尺寸數(shù)倍，從而導(dǎo)致較小的數(shù)值孔徑值，這減弱了器件對光的收集能力，這是另一個需要克服的難點。

4.3 高效率、大孔徑超構(gòu)表面加工方法

超構(gòu)表面為實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，通常需要根據(jù)場景定制功能，因此對其進行快速制樣的加工技術(shù)必不可少。然而不同于亞波長金屬線柵，超構(gòu)表面的功能依賴于空間變化的結(jié)構(gòu)單元形貌，這意味著需要大范圍且精細的微納特征結(jié)構(gòu)加工。目前利用激光束直寫、電子束光刻等逐像素的加工方式效率低下[152-153]，在整片晶圓范圍內(nèi)寫滿所需納米尺度結(jié)構(gòu)耗時較長，甚至數(shù)以天計，成本極高。那些高效率的納米光刻方法，例如納米壓印和干涉光刻，又往往缺乏靈活性，前者是一種依賴模板圖案的復(fù)制技術(shù)[146]，要求高分辨率的模板制造設(shè)備，后者通常只適用于制作大面積周期性的納米結(jié)構(gòu)[147]。因此，超構(gòu)表面的產(chǎn)業(yè)化還需革新性的微納加工技術(shù)支持。2022 年，香港大學(xué)的李文迪課題組[154]基于干涉光刻光強分布和光刻膠的非線性響應(yīng)特點，首先通過干涉曝光得到大范圍且較為均勻的納米結(jié)構(gòu)，再由灰度圖案二次曝光方法分區(qū)剪裁納米結(jié)構(gòu)的特征尺寸，極大提高了空間變化納米結(jié)構(gòu)的制備效率。另一方面，由于電子束光刻或極紫外光刻等傳統(tǒng)工藝曝光范圍有限，大孔徑超構(gòu)表面的加工存在困難。2022 年，華中科技大學(xué)的易飛課題組[155]開發(fā)了一種“多版圖拼接式投影曝光”技術(shù)，其將5cm 孔徑超構(gòu)透鏡的圖案劃分成9 個部分，每個部分使用一塊掩模版實現(xiàn)，最后拼接組合成完整的大口徑超構(gòu)透鏡。這些加工方法可借鑒偏振成像超構(gòu)表面的制造過程。

現(xiàn)代人生活在信息時代，信息本身是生產(chǎn)力的重要代表，是智能化的必要前提。偏振信息作為光波信息的另一種維度，其蘊含的無與倫比的信息量有望為軍事和民生領(lǐng)域帶來天翻地覆的變革，為第四次工業(yè)革命提供重要發(fā)力點。超構(gòu)表面作為新型微納結(jié)構(gòu)光場調(diào)控器件，具有靈活可控的光場調(diào)控優(yōu)勢，有望實現(xiàn)功能性更強、適應(yīng)性更廣、集成度更高的微小型偏振成像系統(tǒng)，從而助力城市及工業(yè)的信息化發(fā)展。