萬(wàn)源慶，劉威駿，林若雨，余浩祥，王漱明

南京大學(xué)物理學(xué)院，固體微結(jié)構(gòu)物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210093

1 引言

光不僅是人類(lèi)觀察客觀世界的重要媒介，還具有傳播信息和能量的作用。光束攜帶的信息包括在時(shí)域、頻域以及空間的分布特征，人眼能直觀感知的顏色和強(qiáng)度只是其中的一部分，其他隱含信息往往需要借助儀器來(lái)進(jìn)行觀測(cè)。光譜是物質(zhì)的固有特征，通過(guò)分析光譜可以揭示物質(zhì)的化學(xué)組成成分，在材料分析、食品安全、醫(yī)學(xué)診斷和生物成像等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用[1-5]。傳統(tǒng)的光譜儀通常由棱鏡、光柵等[6-7]分光器件通過(guò)復(fù)雜的光路實(shí)現(xiàn)光譜成像，受衍射效應(yīng)限制，其光譜分辨率與光程存在反比關(guān)系，因此普遍存在體積大、集成度低、成本昂貴的缺點(diǎn)，嚴(yán)重限制了在內(nèi)窺鏡、水下探測(cè)等特殊場(chǎng)景的應(yīng)用。隨著市場(chǎng)上對(duì)集成化器件的需求增多，緊湊型光譜儀的研究成為了一個(gè)重要的課題。近幾十年來(lái)，傅里葉變換光譜儀[8-9]、微環(huán)諧振腔[10-11]和光波導(dǎo)耦合[12]已被用于縮小光譜器件的體積。傅里葉變換光譜儀具有高光譜分辨率和高信噪比，但是無(wú)法處理非常不規(guī)則的光譜信號(hào)，并且處理數(shù)據(jù)的速度較慢，難以應(yīng)對(duì)隨時(shí)間強(qiáng)烈變化的動(dòng)態(tài)光譜信號(hào)。微環(huán)諧振腔和光波導(dǎo)耦合光譜儀因其較小的尺寸可以集成到微型光學(xué)系統(tǒng)中，但是光譜分辨率受到制造工藝的限制，對(duì)微納技術(shù)的要求較高。

21 世紀(jì)初出現(xiàn)了關(guān)于超構(gòu)表面的研究[13]，作為由亞波長(zhǎng)小單元組成的大面積納米結(jié)構(gòu)，超構(gòu)表面具有可塑性強(qiáng)、靈活度高、易集成的特點(diǎn)。2011 年，Capasso 小組提出了廣義斯涅爾定律[14]，由此拉開(kāi)了超構(gòu)表面研究熱潮的序幕。通過(guò)設(shè)計(jì)優(yōu)化共振相位、傳輸相位和幾何相位，超構(gòu)表面可以有效調(diào)制入射光的光學(xué)參數(shù)，如振幅、相位和偏振[15-16]。由于超構(gòu)表面在光場(chǎng)調(diào)控方面表現(xiàn)出的優(yōu)異性質(zhì)，因此可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)折射或衍射光學(xué)難以實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜功能，如全息顯示[17]、消色差透鏡[18-19]、光加密通信技術(shù)[20]和隱形斗篷[21]。超構(gòu)表面作為一種二維材料，與三維超構(gòu)材料相比的優(yōu)勢(shì)是可以最大限度地減小損耗并增加集成度，此外，還可以通過(guò)如光刻或電子束刻蝕的納米材料制造方法相對(duì)容易地獲得[22]。光學(xué)材料中普遍存在色散的現(xiàn)象，得益于超構(gòu)表面對(duì)相位的有效調(diào)控，利用超構(gòu)表面可以進(jìn)行更高效率的分光，這對(duì)實(shí)現(xiàn)緊湊型光譜儀和光譜成像具有重要的意義。濾波是另外一種達(dá)到光譜成像這一目標(biāo)的思路，通過(guò)設(shè)計(jì)后的超構(gòu)表面具有頻率選擇的功能，可以用于輕薄高效的集成式光譜濾光器。本文首先基于不同原理從超色散、窄帶濾波和寬帶濾波這三個(gè)方面重點(diǎn)介紹了多種機(jī)理的超構(gòu)表面光譜成像，然后回顧了基于超構(gòu)表面光譜成像的應(yīng)用。最后，對(duì)目前超構(gòu)表面光譜成像工作進(jìn)行了總結(jié)并對(duì)未來(lái)發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

2 多種機(jī)理的超構(gòu)表面光譜成像

2.1 基于超色散機(jī)理的超構(gòu)表面光譜成像

對(duì)于一般的具有固有折射率色散的光學(xué)介質(zhì)材料，不同波長(zhǎng)的光對(duì)應(yīng)有不同的光學(xué)響應(yīng)。在超色散材料中，光的傳播速度和折射率會(huì)隨著頻率發(fā)生更加急劇的變化，這種特性使光的散射得到增強(qiáng)，一方面這會(huì)極大降低如通信、檢測(cè)、成像等全彩光學(xué)應(yīng)用的性能，對(duì)此有很多科研人員進(jìn)行了消色差的研究[18,23]；另一方面利用這種超色散機(jī)制并加以調(diào)控，可以使超構(gòu)表面在彩色成像或光譜層析分析等領(lǐng)域展現(xiàn)出優(yōu)良的應(yīng)用潛力[24-25]。

傳統(tǒng)的彩色圖像傳感器通常用彩色濾光片獲得不同的顏色，然而隨著圖像傳感器的尺寸變得更小，每個(gè)像素接收到的光也變得更少，導(dǎo)致光的利用率降低。Nishiwaki 等[26]提出采用一種折射率比周?chē)牧细叩耐该鹘橘|(zhì)微型板狀結(jié)構(gòu)來(lái)誘導(dǎo)光的偏轉(zhuǎn)，以達(dá)到分光的目的。如圖1(a)所示，這種結(jié)構(gòu)包含對(duì)稱(chēng)偏轉(zhuǎn)器和非對(duì)稱(chēng)偏轉(zhuǎn)器，當(dāng)光進(jìn)入結(jié)構(gòu)時(shí)，通過(guò)偏轉(zhuǎn)器傳播的光和沒(méi)有通過(guò)偏轉(zhuǎn)器傳播的光之間會(huì)產(chǎn)生相位差δ，δ與波長(zhǎng)之間存在依賴(lài)關(guān)系，因此偏轉(zhuǎn)光的傳播方向隨波長(zhǎng)的變化而變化。2015 年，Li 等[27]基于廣義斯涅爾定律用一種由梯形納米柱組成的平面超構(gòu)表面演示了在可見(jiàn)光范圍內(nèi)把不同波長(zhǎng)的光分開(kāi)的過(guò)程。當(dāng)光入射并沿短寬度激發(fā)時(shí)，30～ 150 nm 寬的梯形納米柱顯示出接近統(tǒng)一的反射振幅和劇烈的界面相移。梯形納米柱的高度約為波長(zhǎng)的1/20，因此可以忽略這種非均勻介質(zhì)中光傳播路徑上的相位積累，即總相位不連續(xù)只是由超薄的超構(gòu)表面引起的。他們?cè)趯?shí)驗(yàn)上表征了這種異常反射，如圖1(b)所示，有三種反射光束模式，m=-1 時(shí)是一階衍射模式，m=0 時(shí)是正常反射模式，m=1 時(shí)是異常反射模式，異常反射的光強(qiáng)最強(qiáng)，有利于增大光的利用率。

圖1 (a)對(duì)稱(chēng)偏轉(zhuǎn)器和非對(duì)稱(chēng)偏轉(zhuǎn)器的結(jié)構(gòu)示意圖[26]；(b)異常反射的實(shí)驗(yàn)表征設(shè)置和實(shí)際拍攝圖片[27]Fig.1 (a) Structural schematic diagram of symmetric and asymmetric deflectors[26];(b) Experimental characterization setup and actual photography of anomalous reflection[27]

除了上述基于異常反射的分光外，Capasso 小組提出的離軸超構(gòu)透鏡也被證明可以在高光譜分辨率的情況下同時(shí)聚焦或分散不同波長(zhǎng)的光。如圖2(a)所示，以超構(gòu)透鏡中心(x=0，y=0)為參考，納米柱所在的位置(x，y)之間的光程差引起的相位延遲可以寫(xiě)為

其中，λd為設(shè)計(jì)波長(zhǎng)，點(diǎn) (xf,yf,zf)為焦點(diǎn)，f是焦距。相位差需要納米柱來(lái)補(bǔ)償，根據(jù)幾何相位的概念，每個(gè)納米柱在(x，y)處應(yīng)該旋轉(zhuǎn)角度

根據(jù)上述原理他們先設(shè)計(jì)了一個(gè)可以將光以80°角聚焦的超構(gòu)透鏡[28]，由于大角度聚焦，超構(gòu)透鏡具有超色散特性(0.27 nm/mrad)，在電信區(qū)域的波長(zhǎng)差異分辨率高至200 pm，圖2(b)是演示的一個(gè)較為集成的方案[29]，將多個(gè)離軸超構(gòu)透鏡集成在一個(gè)平面基板上，通過(guò)與CMOS 相機(jī)相結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)同時(shí)具有聚焦和超色散特性的緊湊型光譜儀，光譜分辨率最優(yōu)為0.3 nm，總工作波長(zhǎng)范圍超過(guò)170 nm，光束傳播長(zhǎng)度只有幾厘米，并且還具有在一次測(cè)量中分辨不同螺旋度光的能力。然后他們提出了一種由亞波長(zhǎng)TiO2納米柱組成的經(jīng)過(guò)像差矯正后的離軸超構(gòu)透鏡[30]，通過(guò)設(shè)計(jì)相位及其相對(duì)于頻率的高階導(dǎo)數(shù)，在寬帶帶寬上保持焦點(diǎn)輪廓，焦點(diǎn)沿平面分布并且位置與頻率呈線(xiàn)性關(guān)系。最后他們演示了在近200 nm 的可見(jiàn)光譜范圍內(nèi)的最小焦點(diǎn)展寬，圖2(c)是經(jīng)過(guò)像差矯正和沒(méi)有經(jīng)過(guò)像差矯正的最小焦點(diǎn)展寬對(duì)比圖。這一系列的工作都明確地顯示了基于該技術(shù)制作的超構(gòu)透鏡具有替代傳統(tǒng)光譜儀成為新一代小型光譜儀的潛力。

然而，對(duì)這種離軸超構(gòu)透鏡還沒(méi)有進(jìn)行更為詳細(xì)的參數(shù)分析。周毅等[31]研究了基于超構(gòu)透鏡的光譜儀的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)有效光譜范圍和光譜分辨率的影響。如圖2(d)所示，通過(guò)優(yōu)化檢測(cè)平面的方向角，有效光譜探測(cè)范圍可以比垂直于光軸的普通檢測(cè)面探測(cè)范圍提高約3 倍。結(jié)合數(shù)值衍射計(jì)算和解析幾何分析，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)高分辨率光譜儀時(shí)，應(yīng)盡可能提高超構(gòu)透鏡的孔徑直徑和離軸角。采用相反的思路，減小透鏡孔徑和離軸角或者增加焦距犧牲一定的光譜分辨率可以設(shè)計(jì)寬帶光譜儀?；谶@些特點(diǎn)，他們針對(duì)不同的用途設(shè)計(jì)了兩種光譜儀，一種是寬帶光譜儀，工作范圍為800～1800 nm，光譜分辨率為2～5 nm，另一種是具有更高光譜分辨率的窄帶光譜儀，在780～920 nm范圍內(nèi)分辨率為0.15～0.6 nm。

值得注意的是，離軸超構(gòu)透鏡雖然具有較高的光利用率和較強(qiáng)的光譜分辨能力，但是卻難以在采集光譜信息的同時(shí)兼顧三維空間分辨率，因此距離4D 成像[32-33]的目標(biāo)還有一段距離。2018 年，F(xiàn)araji-Dana等[34-35]介紹了折疊超構(gòu)表面的概念并制作了一個(gè)總體積僅有8.5 mm3的超緊湊線(xiàn)掃描微型高光譜成像儀(hyperspectral imager，簡(jiǎn)寫(xiě)為HSI)。如圖3(a)所示，HSI 沿θ方向捕獲一維空間圖像的同時(shí)獨(dú)立測(cè)量直線(xiàn)上每個(gè)點(diǎn)的光譜，通過(guò)空間掃描HSI 前面的對(duì)象，可以組成完整的三維數(shù)據(jù)立方體，所有的色散和聚焦功能可以通過(guò)三個(gè)反射超構(gòu)表面、一個(gè)透射超構(gòu)表面和一組襯底完成。盡管這種線(xiàn)掃描的方式在足夠的時(shí)間累積下能獲取物體的空間信息和光譜信息，但是它的應(yīng)用大多局限在共聚焦顯微鏡下，難以實(shí)時(shí)對(duì)空間物體進(jìn)行光譜成像。

圖3 (a)折疊超構(gòu)表面示意圖[35]；(b) SLIM 系統(tǒng)中光譜重建算法的數(shù)值模擬結(jié)果[36] ；(c)高光譜成像系統(tǒng)的光學(xué)架構(gòu)示意圖[37]；(d)色散實(shí)驗(yàn)的裝置和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的拼接圖[38]Fig.3 (a) Schematic diagram of folded metasurface[35];(b) Numerical simulation results of spectral reconstruction algorithm in SLIM system[36] ;(c) Schematic of an optical architecture for hyperspectral imaging system[37];(d) Set up of the dispersion experiment and the splice diagram of experimental results[38]

2022 年華夏等[36]利用橫向色散的超構(gòu)透鏡陣列和一個(gè)單色成像傳感器演示了超緊湊光譜光場(chǎng)成像(spectral light-field imaging，簡(jiǎn)寫(xiě)為SLIM)，僅需使用一次快照就可以同時(shí)獲得光譜信息和空間信息。在SLIM 系統(tǒng)中，為了同時(shí)獲得高光通量、高空間分辨率和高光譜分辨率，不可避免地會(huì)捕獲帶有光譜和空間混疊的圖像。光譜信息和空間信息耦合在一起，故將探測(cè)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為解決一個(gè)欠定的優(yōu)化問(wèn)題，通過(guò)引入光譜重建算法可以對(duì)其進(jìn)行求解從而獲取場(chǎng)景中每個(gè)位置的光譜信息。圖3(b)是光譜重建算法的數(shù)值模擬結(jié)果，重建結(jié)果展示了該算法的有效性。此外，通過(guò)SLIM 快照，還可以記錄彩色物體的空間分布在內(nèi)的場(chǎng)景視覺(jué)信息并最終獲得4 nm 的光譜分辨率和近衍射極限的空間分辨率。

區(qū)別于上述的幾何相位原理，由于超構(gòu)透鏡的功能是實(shí)現(xiàn)在給定光譜帶寬Δλ上的連續(xù)波長(zhǎng)光的色散和沿焦點(diǎn)線(xiàn)的聚焦，并且所有入射角θ由儀器入口狹縫的有效高度定義，因此Billuart 等[37]提出可以用一個(gè)函數(shù)F(x，y，λ，θ)來(lái)描述超構(gòu)透鏡的性質(zhì)。如圖3(c)所示，位于z=0 的超構(gòu)表面必須確保yoz平面上衍射到θ方向角的光經(jīng)過(guò)像點(diǎn)Fθ,λ，參考坐標(biāo)軸v與y軸平行，像點(diǎn)的u坐標(biāo)是波長(zhǎng)λ的線(xiàn)性函數(shù)，這意味著描述超構(gòu)表面的函數(shù)需要滿(mǎn)足公式:

其中，M是由坐標(biāo)x和y定義的超構(gòu)表面上的點(diǎn)，[MFθ,λ]是M和Fθ,λ之間的光程，Cθ,λ是一個(gè)只依賴(lài)于θ和λ的數(shù)值因子。將超構(gòu)表面設(shè)計(jì)的優(yōu)化限制為唯一的入射角(θ=0°)，根據(jù)上面的公式他們推出了超構(gòu)表面引起的相變?chǔ)礔(x，y，λ)，并以此作為設(shè)計(jì)超構(gòu)透鏡的依據(jù)。為了證明該方法的可行性，他們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)直徑為175 nm 的超構(gòu)表面，在(650±50) nm 的光譜范圍內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)光譜分辨率為8.5 nm 的光譜成像，視場(chǎng)為8°(角分辨率為0.2°)。

當(dāng)光正入射到一個(gè)平面反光鏡上時(shí)，反射光線(xiàn)與入射光線(xiàn)重合，如果把平面反光鏡換成垂直截面為拋物線(xiàn)的反光鏡，反射光總是會(huì)聚焦到特定的聚焦線(xiàn)上。根據(jù)這個(gè)光學(xué)性質(zhì)，Chen 等[38]設(shè)計(jì)了一個(gè)具有拋物線(xiàn)相位輪廓的光譜調(diào)制超構(gòu)表面。拋物線(xiàn)的公式可以寫(xiě)為Z=(x-x0)2/2p，焦點(diǎn)為(x0,p/2)，利用超構(gòu)表面實(shí)現(xiàn)拋物線(xiàn)型相位輪廓，超構(gòu)表面需要提供的相位為

其中，fp=p/2為 拋物線(xiàn)的焦距。相位 φp(λ)是 波長(zhǎng)λ的函數(shù)，當(dāng)超構(gòu)表面根據(jù)特定的波長(zhǎng) λ0設(shè)計(jì)相位后，波長(zhǎng)為 λ0的入射光總是會(huì)聚焦到拋物線(xiàn)的焦點(diǎn)處，與此對(duì)應(yīng)的是，隨著波長(zhǎng)的變化，相位也會(huì)產(chǎn)生變化，因此對(duì)其他波長(zhǎng)的入射光，超構(gòu)表面會(huì)將它們聚焦到不同的焦點(diǎn)，從而起到分光的作用，如圖3(d)所示。

除了光譜信息外，對(duì)偏振信息的檢測(cè)也是受到廣泛關(guān)注的研究方向，而基于相位調(diào)控的超構(gòu)表面往往對(duì)光的偏振也有所響應(yīng)[39]。利用這一特性，可以設(shè)計(jì)出能同時(shí)檢測(cè)光譜和偏振的超構(gòu)透鏡[5]，然而在只需要探測(cè)光譜信息的情況時(shí)，超構(gòu)表面對(duì)偏振的響應(yīng)會(huì)極大地影響光譜信息的采集，因此需要設(shè)計(jì)偏振不靈敏的超構(gòu)表面。由兩個(gè)正交方向的多個(gè)子周期單元組成超構(gòu)表面的方案可以使超構(gòu)表面具有偏振獨(dú)立衍射的性質(zhì)[40]。因?yàn)槊總€(gè)子周期在兩個(gè)正交方向上的占空比是獨(dú)立的，因此可以同時(shí)操縱TE 和TM 偏振的有效指數(shù)，模擬結(jié)果表明，對(duì)于正常入射光，TE 和TM 在0.7 μm 參考波長(zhǎng)下的衍射效率分別為79.2%和79.3%。

綜上所述，相比起傳統(tǒng)光柵光譜儀，基于超色散的超構(gòu)表面光譜成像可以在一定程度上減小光學(xué)元件和光學(xué)系統(tǒng)的體積，并且成像系統(tǒng)相比起傳統(tǒng)基于多個(gè)透鏡的成像系統(tǒng)具有更輕巧、更便捷的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)不斷改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，光譜分辨率可以得到進(jìn)一步提升。需要注意的是，基于超色散的光譜儀都有一個(gè)共同的特點(diǎn)，即入射光需要保持正入射才能實(shí)現(xiàn)有效分光，因此在使用光譜儀之前還需要在光路中加入額外的準(zhǔn)直光路。

2.2 基于窄帶濾波機(jī)理的超構(gòu)表面光譜成像

通過(guò)濾波進(jìn)行光譜探測(cè)是實(shí)現(xiàn)光譜成像的另一種方案[41]，然而傳統(tǒng)濾波器一般需要經(jīng)過(guò)多個(gè)介電層的沉積，制造過(guò)程相對(duì)復(fù)雜，阻礙了濾波光譜成像的發(fā)展道路。近十幾年來(lái)，隨著制作濾波器的材料范圍擴(kuò)大和工藝技術(shù)提升，基于窄帶濾波的光譜儀展現(xiàn)出了巨大的光譜成像潛力。根據(jù)濾波的方式，窄帶濾波器可分為透射型濾波、吸收型濾波和反射型濾波；根據(jù)濾波波長(zhǎng)的可調(diào)諧性質(zhì)，可以分為可調(diào)諧型濾波和陣列性濾波。下面分三種濾波方式介紹了不同類(lèi)型的窄帶濾波超構(gòu)表面光譜成像的研究進(jìn)展。

2.2.1 透射型超構(gòu)表面濾波器

透射型窄帶濾波器對(duì)透射光具有寬帶吸收或?qū)拵Х瓷涞淖饔茫辉试S特定波長(zhǎng)窄帶光透過(guò)，雖然高分辨率的微型集成濾光片是高分辨光譜儀的重要組成部分，但是傳統(tǒng)的工藝水平很難制造出高透光率的集成濾波片。王少偉等[42-44]開(kāi)發(fā)了兩種高效的制造集成濾波器陣列的方法，一種是組合蝕刻技術(shù)，另一種是沒(méi)有任何蝕刻工藝的組合沉積技術(shù)。利用后一種技術(shù)，他們制作并演示了基于128 個(gè)通道的集成光柵濾波器陣列的高分辨率微型光譜儀，如圖4(a)所示。在波長(zhǎng)范圍722～880 nm 內(nèi)的光譜分辨率為1.7～3.8 nm。然而，在具有高光譜分辨率這一優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，它還存在對(duì)光的利用率較低這一缺陷，通道的峰值透過(guò)率在21%～65%之間。

圖4 基于透射型超構(gòu)表面的光譜成像。(a)集成濾波陣列組成的緊湊型光譜儀[44]；(b)具有不同納米柱寬度的一組濾波器模擬透射光譜[46]；(c)超構(gòu)表面快照光譜成像儀的示意圖[47]；(d)多光譜拼接濾波器生成過(guò)程示意圖[4]；(e)未知源入射功率的目標(biāo)檢測(cè)策略框圖[48]Fig.4 Spectral imaging based on transmission-type metasurface.(a) Compact spectrometer composed of integrated filter array[44];(b) Simulated transmission spectra of a group of filters with different nanopillar widths[46];(c) Schematic diagram of a hypersurface snapshot spectral imager[47];(d) Schematic diagram of generating process of the multispectral filter mosaic[4];(e) Block diagram of target detection strategy for unknown source incident power[48]

為了獲得高透射率的尖銳透射峰，科研人員研究了不同結(jié)構(gòu)和材料的濾波性質(zhì)。等離子體納米結(jié)構(gòu)能夠在亞波長(zhǎng)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)光場(chǎng)的調(diào)制，其中金屬-絕緣體-金屬(metal -insulator -metal，簡(jiǎn)稱(chēng)為MIM)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)已被證實(shí)可以在可見(jiàn)波段將白光轉(zhuǎn)換成特定顏色的光[45]，并且波導(dǎo)的上下兩層金屬結(jié)構(gòu)決定了其在電光系統(tǒng)中能很容易被集成，有利于壓縮器件尺寸。

為了增強(qiáng)倏逝光場(chǎng)以增加透射，等離子體濾波片需要結(jié)合金屬-介電界面中的表面等離子體激元。已有研究表明，由于表面等離子體激元的存在，在可見(jiàn)光和近紅外波段區(qū)域中，光與金屬和介電材料之間的界面具有電子振蕩相互作用，從而導(dǎo)致了納米孔陣列中特殊的光傳輸或共振[49-50]，這使其表現(xiàn)出濾波片的特征，孔間距和孔尺寸對(duì)透射共振的峰值位置和帶寬有調(diào)制作用。然而，傳統(tǒng)納米孔陣列的透射共振由于低帶外阻塞和寬共振光帶寬而不能有效地分離顏色。受益于表面等離激元-能量匹配特性，具有空腔的納米孔陣列可以提供更高的共振傳輸效率和更窄的共振帶寬。甘雪濤等[51]演示了一種基于高品質(zhì)因子(Q)半導(dǎo)體平面光子晶體納米腔的緊湊光譜儀，通過(guò)平面二維波導(dǎo)的耦合，在840 nm 波長(zhǎng)處分辨率高達(dá)0.3 nm。Najiminaini 等[52]開(kāi)發(fā)了一種二維快照多光譜成像儀，在透射光譜中，觀察到與(1，0)和(1，1)表面等離激元激發(fā)相關(guān)的兩個(gè)主要共振峰，其中(1，0)共振傳輸效率在55%到62%之間。

除了上述的濾色方法外，設(shè)計(jì)高分辨率濾光片最常見(jiàn)的方法是使用一對(duì)寬帶高反射率反射鏡形成一個(gè)法布里-珀羅(FP)諧振腔，超構(gòu)表面的引入會(huì)進(jìn)一步增強(qiáng)對(duì)光的調(diào)制。Horie 等[46]將介電超構(gòu)表面層放在具有較高Q 的垂直FP 諧振腔中，腔內(nèi)的往返相位通過(guò)獨(dú)立地調(diào)整納米柱的寬度得到了極大的改變，最終在波長(zhǎng)范圍為1550±250 nm 內(nèi)獲得了7 個(gè)尖銳的透射峰，如圖4(b)所示。

此外，利用光柵的色散性質(zhì)，Kaplan 等[53]提出了一種基于Ag 光柵的金屬諧振納米結(jié)構(gòu)濾色器，選擇合適的光柵周期即可將入射光納入特定共振波長(zhǎng)的波導(dǎo)模式。利用這種原理獲得的透射光透射率相對(duì)較高(約75%)，然而濾波片的尺寸較大，約為1.25 cm ×1.25 cm，而且還存在半峰全寬 (FWHM)較寬、透射峰較少等缺點(diǎn)。2020 年，McClung 等[47]提出了一種透射率較高(77%～98%)且FWHM 很小的濾波方案，他們結(jié)合超色散和濾波片的原理，演示了一種并行光學(xué)處理范式的快照光譜成像器。圖4(c)是成像系統(tǒng)示意圖，兩個(gè)超構(gòu)表面位于玻璃基板的兩側(cè)，形成陣列，每一對(duì)超構(gòu)表面作為單色相差校正的透鏡，將不同波長(zhǎng)的光引導(dǎo)到對(duì)應(yīng)的陣列，然后經(jīng)過(guò)超構(gòu)表面濾波器去除掉雜散光，最終得到了高分辨率光譜圖像。

上述研究的濾波片工作波長(zhǎng)都沒(méi)有超過(guò)可見(jiàn)到近紅外范圍，Lee 等[54]證明在太赫茲波段，也能通過(guò)網(wǎng)格濾波器陣列進(jìn)行光譜編碼，中心頻率與濾波器在超構(gòu)表面中的位置成正比，濾波范圍為0.2 THz～2.0 THz。同年，科研人員還報(bào)道了一種具有更寬波長(zhǎng)范圍的多光譜材料[55]，通過(guò)將可見(jiàn)和紅外等離子體濾波器與太赫茲超材料吸收器雜交，它可以在RGB 三原色波長(zhǎng)、單個(gè)近紅外波長(zhǎng)、單個(gè)短波紅外波長(zhǎng)和兩個(gè)中紅外波長(zhǎng)處實(shí)現(xiàn)濾波，此外它還可以吸收單個(gè)太赫茲頻率。

基于窄帶濾波器陣列的高光譜成像具有易與其他光電探測(cè)器集成的優(yōu)點(diǎn)，2022 年，Lee 等[56]在CMOS 圖像傳感器上制造了電介質(zhì)多層濾波器，每個(gè)光譜通道的傳輸波長(zhǎng)通過(guò)在相應(yīng)的像素上嵌入相應(yīng)尺寸的硅納米孔陣列進(jìn)行選擇，最終在700～950 nm 區(qū)域內(nèi)獲得了2 nm 的高光譜分辨率，所有工作波長(zhǎng)的透光率均超過(guò)60%。

直接把窄帶濾波器鑲嵌覆蓋在CMOS/CCD 上，是實(shí)現(xiàn)集成多光譜成像的一個(gè)想法，但同時(shí)也存在濾波片與像素之間易錯(cuò)位的問(wèn)題[4,57]，難以從低分辨輸入中重建高分辨率光譜圖像。使用智能算法可以糾正這種錯(cuò)位問(wèn)題?？娏⒌さ萚4,58-59]基于二進(jìn)制樹(shù)形網(wǎng)絡(luò)解碼估計(jì)了錯(cuò)位造成的缺失光譜分量，他們先生成了多光譜拼接濾波器，如圖4(d)所示，通過(guò)遞歸地分離類(lèi)似棋盤(pán)排列的濾波片，獲得了各種模式，其中每一種數(shù)字表示一種波長(zhǎng)，然后通過(guò)波段選擇、像素選擇和插值三個(gè)步驟重建了原光譜域，在實(shí)驗(yàn)上針對(duì)四個(gè)波長(zhǎng)的光譜通道實(shí)現(xiàn)了圖像重建。線(xiàn)性最小二乘法是常用的參數(shù)估計(jì)方法，利用該方法解混頻，在可見(jiàn)到近紅外波段可以成功地恢復(fù)混合輸入照明中的光譜波段[52]。在中紅外波段，Jang 等[48,60]提出了紅外視網(wǎng)膜的概念，將表面等離子體濾波器對(duì)像素級(jí)信號(hào)響應(yīng)進(jìn)行加權(quán)線(xiàn)性組合，可以識(shí)別出特定波長(zhǎng)下來(lái)自未知物體的單位面積入射功率。圖4(e)是未知源入射功率的目標(biāo)檢測(cè)策略框圖，識(shí)別過(guò)程分為三個(gè)部分：預(yù)處理、測(cè)量和后端處理，預(yù)處理包括指定所需光譜濾波器(形狀、中心波長(zhǎng)和帶寬)和對(duì)投影權(quán)值的計(jì)算，其中權(quán)值wi的計(jì)算公式為wi=[RTR]-1RTfi，R是光譜響應(yīng)度Ri的向量，fi對(duì)應(yīng)光譜濾波器陣列。通過(guò)測(cè)量以及后端數(shù)據(jù)處理，他們?cè)趯?shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了未知黑體和金屬物體的輻射譜重建。

2.2.2 吸收型超構(gòu)表面濾波器

吸收型濾波器對(duì)透射光具有特定窄帶波長(zhǎng)光的吸收，根據(jù)這一特性，基于吸收型窄帶濾波的光譜成像系統(tǒng)通常將光電探測(cè)器集成在濾波片的后面，探測(cè)到的光強(qiáng)在吸收峰值處會(huì)驟然下降，另外一種方法是直接把濾波片作為電極，通過(guò)產(chǎn)生的光電效應(yīng)的強(qiáng)度判斷波長(zhǎng)的位置[61]。

液晶分子會(huì)隨著施加場(chǎng)的大小變化而改變轉(zhuǎn)向，這會(huì)導(dǎo)致液晶折射率發(fā)生改變，因此液晶與亞波長(zhǎng)光柵結(jié)合的器件可以看做一個(gè)可調(diào)諧濾波器[62]，隨著有效折射率的減小，濾波片的共振波長(zhǎng)將發(fā)生小范圍的藍(lán)移。為了拓寬濾波范圍，Grant 等[61]將一個(gè)紅外超構(gòu)材料吸收層嵌入到一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的太赫茲超構(gòu)材料吸收層中，在除了109 μm (2.75 THz)共振吸收峰外獲得了中心波長(zhǎng)為4.3 μm 的窄帶共振。如圖5(a)所示，他們采用的金屬十字型結(jié)構(gòu)是一種電環(huán)形諧振器(electric ring resonator)，在實(shí)際應(yīng)用中，十字型結(jié)構(gòu)的臂長(zhǎng)度決定了共振波長(zhǎng)峰值位置，而絕緣層厚度和折射率特性決定了吸收幅度。盡管對(duì)于單個(gè)濾波器來(lái)說(shuō)，僅僅通過(guò)兩個(gè)峰實(shí)現(xiàn)光譜分析顯然不夠，但是這種結(jié)合兩個(gè)結(jié)構(gòu)材料的方法可以為增大濾波范圍提供新思路，并且共振波長(zhǎng)可調(diào)諧的性質(zhì)也使其有潛力應(yīng)用到陣列型濾波器中。

圖5 基于吸收型超構(gòu)表面的光譜成像。(a)多光譜超構(gòu)材料的三維原理圖[61]；(b)混合等離子體-焦電裝置示意圖[63]；(c)在共振峰處激發(fā)的電場(chǎng)分布[63]；(d)多層超構(gòu)表面吸收器示意圖[65]Fig.5 Spectral imaging based on absorption-type metasurface.(a) 3D schematic of the multispectral metamaterial absorber[61];(b) Schematic diagram of the hybrid plasmonic-pyroelectric detectors[63];(c) Electric field distributions excited at resonant peaks[63];(d) Schematic illustration of the multilayer metasurface absorber[65]

除了利用光電響應(yīng)檢測(cè)吸收光外，結(jié)合了納米光子學(xué)和熱電學(xué)的諧振熱電等離子體吸收器也可以用于光譜探測(cè)。2016 年，Dao 等[63]展示了一種具有窄帶光譜選擇性的混合等離子體-焦電裝置，如圖5(b)所示，該裝置由一個(gè)等離子體完美吸收器和一個(gè)內(nèi)置熱釋電ZnO 層組成，通過(guò)改變等離子體吸收器的圓孔直徑，實(shí)現(xiàn)了波長(zhǎng)范圍為3.88～5.5 μm 的共振吸收峰調(diào)控(圖5(c))。在可見(jiàn)光波段，Mauser 等[64]設(shè)計(jì)了一種具有共振光譜選擇性的亞波長(zhǎng)熱電納米結(jié)構(gòu)，即使在未聚焦的空間光場(chǎng)均勻照射下，也能利用高光約束來(lái)控制納米體積內(nèi)的溫度梯度，從而產(chǎn)生熱電電壓，通過(guò)改變亞波長(zhǎng)熱電納米結(jié)構(gòu)的周期、厚度等參數(shù)，即可進(jìn)行特定波長(zhǎng)的檢測(cè)。

高分辨率光譜成像決定了吸收波的高吸收幅值和窄FWHM，然而前面提到的吸收型濾波器雖然能在特定波長(zhǎng)范圍內(nèi)進(jìn)行吸收濾波，但是還需要在獲得尖銳的吸收峰方面做出進(jìn)一步研究。2022 年，一種惠更斯超構(gòu)表面因?yàn)槠鋵?duì)特定光的良好吸收屬性而被用于多光譜成像[65]，與只能支持如電偶極子(electric dipole，簡(jiǎn)稱(chēng)為ED)或磁偶極子(magnetic dipole，簡(jiǎn)稱(chēng)為MD)單一共振的普通介電超構(gòu)表面不同的是，它可以同時(shí)激發(fā)統(tǒng)一波長(zhǎng)的兩種共振模式，這使得單層吸收器獲得了超過(guò)70%的吸收，如圖5(d)所示。除此之外，還有一種由連續(xù)體中的束縛態(tài)(bound states in the continuum，簡(jiǎn)稱(chēng)為BIC)所引起的共振現(xiàn)象也可以產(chǎn)生與吸收型超構(gòu)表面濾波器相同的效果，在現(xiàn)實(shí)中，品質(zhì)因子(Q)和共振寬度往往達(dá)不到理想條件，此時(shí)BIC 可以看做準(zhǔn)BIC。Yesilkoy 等[66]利用由準(zhǔn)BIC 激發(fā)的高Q 近紅外共振全介電傳感器陣列，演示了一種可以在一次測(cè)量中進(jìn)行多路分析物檢測(cè)的新型平臺(tái)。在BIC 中，特定頻率的波由于一種或多種散射途徑的干涉而被束縛在結(jié)構(gòu)內(nèi)部，與吸收型超構(gòu)表面濾波器不同的是，BIC 涉及的共振現(xiàn)象不屬于共振吸收而是一種光約束現(xiàn)象。

2.2.3 反射型超構(gòu)表面濾波器

反射型窄帶濾波一般通過(guò)測(cè)量透射波的突變來(lái)觀察反射峰值。平面介電波導(dǎo)光柵中的共振現(xiàn)象已經(jīng)得到了證明[67]，特定的入射光波長(zhǎng)和角度會(huì)耦合成一種被引導(dǎo)進(jìn)入自由空間的模式，因此對(duì)應(yīng)的模式不能經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)傳輸?shù)较乱粚?。根?jù)這種特性，Lin 等[7]制造了一個(gè)波長(zhǎng)范圍為506～915 nm 的基于梯度光柵周期的導(dǎo)模共振濾波器，如圖6(a)所示，寬帶光正入射時(shí)，激發(fā)結(jié)構(gòu)并引起共振的特定波長(zhǎng)光被反射到自由空間中，其余光通過(guò)濾波片正常傳輸。一般地，超構(gòu)表面中的高Q 共振是通過(guò)超輻射和次輻射模式的干涉而產(chǎn)生的，除此之外，利用Mie 共振的集體行為，也能設(shè)計(jì)出沒(méi)有額外光譜背景的高Q 共振[68]。由圖6(b)可見(jiàn)，分子振動(dòng)和介電諧振器周?chē)鰪?qiáng)的電場(chǎng)之間的耦合會(huì)引起單個(gè)元像素反射光譜的顯著調(diào)制，每一個(gè)尖銳共振峰反應(yīng)了近似統(tǒng)一的反射強(qiáng)度(平均Q ＞200)。

圖6 基于反射型超構(gòu)表面的光譜成像。(a)導(dǎo)模諧振濾波器的原理圖和透射光譜[7]；(b)像素化介電超構(gòu)表面的分子指紋檢測(cè)[68]Fig.6 Spectral imaging based on reflection-type metasurface.(a) Schematic of the guided-mode resonance filter with gradient grating periods[7];(b) Molecular fingerprint detection with pixelated dielectric metasurfaces[68]

本小節(jié)主要分析總結(jié)了基于透射型、吸收型和反射型超構(gòu)表面的窄帶濾波，與前兩者相比，基于反射型超構(gòu)表面的窄帶濾波需要一定的空間收集光，因此體積相對(duì)較大。由于大部分的窄帶濾波是通過(guò)共振而非衍射來(lái)選擇波長(zhǎng)的，所以對(duì)入射光的入射角度要求不高。需要注意的是，盡管窄帶濾波器的峰值透射率可以通過(guò)一些方案提高，但是整個(gè)波段的平均透射率仍然很低，導(dǎo)致整個(gè)器件的效率較低，而且對(duì)于陣列型窄帶濾波光譜儀，由于濾波片之間的距離較小，容易發(fā)生串?dāng)_，因此對(duì)濾波光的FWHM 要求較高。

2.3 基于寬帶濾波機(jī)理的超構(gòu)表面光譜成像

綜合利用超色散和窄帶濾波的超構(gòu)表面光譜成像來(lái)看，較強(qiáng)的光譜分辨能力和較高的光利用率很難兼顧，這是因?yàn)榍罢叩姆直媛逝c光程成反比，在原理上不利于小型化，而后者會(huì)過(guò)濾掉大部分光。近年來(lái)，得益于計(jì)算光譜[69-71]和算法[72-73]的發(fā)展，基于寬帶濾波的超構(gòu)表面[74-75]盡管不能像窄帶濾波那樣直接分辨光譜，但是可以通過(guò)復(fù)雜的后端算法重建光譜信息，高分辨率和易于集成化的微型成像系統(tǒng)使其在光譜成像領(lǐng)域中占領(lǐng)著重要的位置。

圖7(a)是經(jīng)典的基于寬帶濾波的超構(gòu)表面高光譜成像系統(tǒng)[76]，它由超構(gòu)表面層、微透鏡層和CMOS圖像傳感器組成，其中超構(gòu)表面層包含N 個(gè)自由形狀結(jié)構(gòu)陣列，每一種結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)不同的寬光譜響應(yīng)。入射光經(jīng)過(guò)超構(gòu)表面濾波和微透鏡陣列聚焦后，通過(guò)圖像傳感器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。假設(shè)入射光的光譜為F(λ)，每一個(gè)超構(gòu)表面的光譜響應(yīng)為Xi(λ)，i=1，2，3…，N。CMOS 圖像傳感器的吸收響應(yīng)為A(λ)，則最終探測(cè)到的信號(hào)強(qiáng)度Yi可以描述為[77-81]

圖7 (a)基于光子晶體(PC)板的微型光譜儀[76]；(b)光子晶體濾波器和新型濾波器的重建光譜對(duì)比圖[88]；(c)納米柱的設(shè)計(jì)和制造圖[91]；(d)基于超構(gòu)表面的多光譜和偏振檢測(cè)原理圖[92]Fig.7 (a) Micro-spectrometer based on photonic-crystal (PC) slabs[76];(b) Comparison of reconstructed spectra of photonic crystal filters and novel filters[88];(c) Design and fabrication diagram of nanocolumn[91];(d) Schematic drawing of the metasurface-based multispectral and polarimetric detection[92]

其中，ei表示噪聲信號(hào)。對(duì)F(λ)、Xi(λ)和A(λ)分別進(jìn)行離散采樣，得到f(λ)、xi(λ)和a(λ)，則Yi的離散形式為

令ri(λ)=xi(λ)a(λ)，ri(λ)是可以通過(guò)測(cè)量預(yù)先確定的透射光譜曲線(xiàn)，將Y通過(guò)線(xiàn)性方程組表示為

其中：Y∈RN×1，R∈RN×M，F(xiàn)(λ)∈RM×1，M表示波長(zhǎng)采樣的個(gè)數(shù)。通過(guò)解這個(gè)線(xiàn)性方程組，可以得到原入射光的光譜信息，然而實(shí)際上，M往往大于N，因此這是一個(gè)欠定的方程，需要通過(guò)正則化[82]、壓縮感知[78,80-81]或深度學(xué)習(xí)[83]等算法來(lái)求解。

通過(guò)寬帶濾波實(shí)現(xiàn)光譜成像有兩個(gè)重要的步驟，第一步是獲得隨機(jī)分布的寬光譜曲線(xiàn)，第二步是利用算法重建光譜，由于欠定方程求解的特殊性，一般來(lái)說(shuō)光譜響應(yīng)曲線(xiàn)特征越明顯，光譜重建能力越高。下面分這兩個(gè)步驟來(lái)總結(jié)近年來(lái)出現(xiàn)的寬帶濾波超構(gòu)表面光譜成像。

2.3.1 隨機(jī)分布的光譜響應(yīng)曲線(xiàn)

由等離子體濾波器[84-85]為代表的共振濾波器是一種常見(jiàn)的濾波方法，但是這些濾波曲線(xiàn)的形狀比較單一，不是理想的寬帶濾波器。將超構(gòu)表面嵌入一個(gè)光學(xué)腔，可以在多個(gè)波段支持共振[86]，結(jié)合超構(gòu)表面的傳播相位和法布里-珀羅干涉原理，理論上該方法能將納米腔厚度降低到傳統(tǒng)的最小值λ/(2n)以下，極大地縮小濾波器的尺寸，然而在實(shí)踐中制作過(guò)程比較復(fù)雜。近年來(lái)，由多個(gè)孔陣列構(gòu)成的光子晶體板被用來(lái)獲得寬帶光譜響應(yīng)[76,81,87-88]，由于入射光束中的每一個(gè)波長(zhǎng)分量在每個(gè)孔徑處都有位移的衍射角，因此光束中的所有波長(zhǎng)分量的總衍射信號(hào)是唯一的，即不同的孔徑陣列對(duì)應(yīng)了特定的光譜響應(yīng)。Liu 等[88]通過(guò)在光子晶體板上添加金(Au)納米柱，引入了表面等離子體共振效應(yīng)，使光子晶體板的透射曲線(xiàn)表現(xiàn)出窄帶響應(yīng)，從而進(jìn)一步增強(qiáng)了濾光器的光譜重建能力，圖7(b)是有窄帶引入和無(wú)窄帶引入的重建光譜對(duì)比圖。與孔徑陣列對(duì)應(yīng)的納米柱陣列也能通過(guò)合理的設(shè)計(jì)表現(xiàn)出優(yōu)異的光譜響應(yīng)[89-91]，Xiao 等[91]還研究了納米柱的周期和高度對(duì)透射光譜的有效調(diào)制，如圖7(c)所示，不同的p值和h值分別影響透射峰的波長(zhǎng)偏移和透射率的變化。

此外，通過(guò)合理設(shè)計(jì)激發(fā)表面等離子體波的元原子，可以使超構(gòu)表面具備同時(shí)檢測(cè)入射光的偏振和光譜信息的能力[92-93]。圖7(d)是一個(gè)由不同晶格常數(shù)和方向的亞波長(zhǎng)矩形孔形成的4×4 陣列，當(dāng)入射偏振光的特定極化角垂直于孔徑的長(zhǎng)軸時(shí)，表面等離子體波在一個(gè)光譜帶內(nèi)被激發(fā)，并通過(guò)光隧穿增強(qiáng)傳輸。激發(fā)效率由晶格常數(shù)和元原子相對(duì)于入射光的特定極化角的相對(duì)取向決定，因此不同晶格常數(shù)的透射光譜峰值位置不同[92]。采取相反的思路，如果期望超構(gòu)表面對(duì)偏振不敏感，通?？梢圆捎脠A形孔徑、圓形納米柱等元原子以C4對(duì)稱(chēng)排列的方案[81]。

目前超構(gòu)表面的隨機(jī)光譜響應(yīng)曲線(xiàn)絕大部分都采用正向設(shè)計(jì)的方法，這是一種較為直觀簡(jiǎn)單的方法，但是操作效率較低，而且極有可能錯(cuò)失最優(yōu)結(jié)果。以結(jié)果為導(dǎo)向的拓?fù)鋬?yōu)化、遺傳算法、基于伴隨的梯度下降法和深度學(xué)習(xí)等逆向設(shè)計(jì)方法[94-96]可以較好地規(guī)避這一缺陷，能從眾多不同排列和不同形狀的結(jié)構(gòu)中篩選得到目標(biāo)光譜曲線(xiàn)，并且在優(yōu)化的過(guò)程中還可以設(shè)置條件以獲得角度不敏感、魯棒性更好的光譜曲線(xiàn)。理論上來(lái)說(shuō)，光譜響應(yīng)曲線(xiàn)的特征越明顯，曲線(xiàn)之間的差異性越大，越有利于進(jìn)行光譜重建。Redding等[84]在演示一個(gè)基于硅芯片的多重光散射光譜儀時(shí)，提出通過(guò)光譜相關(guān)函數(shù)來(lái)量化在探測(cè)器上產(chǎn)生不相關(guān)強(qiáng)度分布所需的波長(zhǎng)變化，然而對(duì)于利用寬帶濾波機(jī)理的超構(gòu)表面光譜成像，往往關(guān)注的是重建光譜的精度，對(duì)隨機(jī)寬光譜曲線(xiàn)的優(yōu)異程度并無(wú)量化的標(biāo)準(zhǔn)。

雖然已經(jīng)有大量的結(jié)構(gòu)材料可以獲得高透射率的光譜響應(yīng)，但是他們無(wú)一例外的都是屬于被動(dòng)超構(gòu)表面，即每一種結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)著固定的光譜曲線(xiàn)。因此研究能調(diào)諧光譜響應(yīng)的主動(dòng)超構(gòu)表面對(duì)光譜光場(chǎng)調(diào)控具有重要的意義。目前，液晶[62,97]、石墨烯[98]、多量子阱結(jié)構(gòu)[99]和相變材料[100-103]是實(shí)現(xiàn)主動(dòng)超構(gòu)表面的方法。其中，考慮到高透射和穩(wěn)定性等因素，基于過(guò)渡金屬硫族化合物如GeSbTe(GST)的相變材料成為了光譜濾波主動(dòng)超構(gòu)表面的理想候選材料。與其他材料不同的是，GST 可以在電或熱的作用下從非晶相(a-GST)轉(zhuǎn)換為晶相(c-GST)，并在結(jié)晶時(shí)表現(xiàn)出顯著的可逆折射率調(diào)制，如圖8(a)所示，因此基于GST 的超構(gòu)表面的光譜響應(yīng)對(duì)電、熱具有強(qiáng)烈的依賴(lài)性。圖8(b)是結(jié)合了雙層金屬材料和相變材料Ge2Sb2Te5的MIM 結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)已經(jīng)被證明在中紅外區(qū)域具有良好的寬帶濾波效應(yīng)，圖8(c)展示了分別以a-GST和c-GST 作為介質(zhì)層時(shí)的反射光譜和電場(chǎng)分布，對(duì)于同一個(gè)相，波峰之間的波長(zhǎng)差異是由結(jié)構(gòu)中的歐姆損耗引起的[101]。在實(shí)際調(diào)控中，GST 的狀態(tài)通過(guò)改變結(jié)晶度m來(lái)調(diào)控，部分結(jié)晶GST 的介電常數(shù)可以通過(guò)有效介質(zhì)理論獲得[104]，不同的結(jié)晶度對(duì)應(yīng)著不同的光譜響應(yīng)。

圖8 調(diào)諧型超構(gòu)表面。(a)基于GSST 的相變超構(gòu)表面光譜調(diào)制器[103]；(b) MIM 結(jié)構(gòu)的橫切面圖[101]；(c) a-GST 和c-GST 作為介質(zhì)層時(shí)的反射光譜和電場(chǎng)分布[101]；(d)電可調(diào)諧濾色器示意圖[105]；(e)石墨烯超構(gòu)表面調(diào)制器原理圖[106]Fig.8 Tuned metasurface.(a) Phase-change metasurface spectral modulator based on GSST[103];(b) Cross-sectional view of the MIM structure[101];(c) Reflection spectrum and electric field distribution of a-GST and c-GST as dielectric layers[101];(d) Schematic representation of the electrically tunable color filter[105];(e) Schematic of graphene metasurface modulator[106]

除了在材料上選用可調(diào)諧的相變材料實(shí)現(xiàn)主動(dòng)超構(gòu)表面這種方法外，通過(guò)電來(lái)調(diào)諧液晶[62,97]、石墨烯[106]超構(gòu)表面也是一種實(shí)現(xiàn)主動(dòng)超構(gòu)表面的有效手段，如圖8(d)所示，Lee 等[105]通過(guò)結(jié)合非對(duì)稱(chēng)晶格納米孔陣列和扭曲向列相液晶，提出了一種具有電開(kāi)關(guān)偏振旋轉(zhuǎn)器功能的超構(gòu)表面，波長(zhǎng)調(diào)諧位移大于120 nm。圖8(e)是由金屬納米結(jié)構(gòu)和石墨烯集成的介電腔，這可以作為一種石墨烯超構(gòu)表面調(diào)制器，反射光譜通過(guò)電壓VG來(lái)調(diào)整，特征波長(zhǎng)能在8.31 μm～9.477 μm 范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)諧[106]。

2.3.2 光譜重建算法

基于寬帶濾波的超構(gòu)表面經(jīng)過(guò)快照捕獲的目標(biāo)光譜是一種重疊的光譜，因此有必要通過(guò)光譜重建算法提取原始光譜信息。目前使用較多的算法有最小二乘法[90,107]、Tikhonov 正則化[82,87]、壓縮感知[78,80-81]以及基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的深度學(xué)習(xí)[71,108]方法。

對(duì)于如圖9(a)所示的系統(tǒng)，其中的欠定線(xiàn)性方程組在理論上可以用最小二乘法求解，然而建模誤差、實(shí)驗(yàn)測(cè)量誤差以及系統(tǒng)噪聲等不可避免的干擾可能會(huì)導(dǎo)致求解結(jié)果與真實(shí)值相差較大。為了獲得更準(zhǔn)確的重建結(jié)果，Kurokawa 等[82]將正則化技術(shù)、約束優(yōu)化方法和非負(fù)最小二乘法結(jié)合，開(kāi)發(fā)出了一種自適應(yīng)選擇正則化參數(shù)的線(xiàn)性方程組求解法。對(duì)一個(gè)用矩陣形式表示的欠定線(xiàn)性方程組y=Mx+n，可以采用變換矩陣S來(lái)減少方程組中的未知數(shù)，令則其中采用Tikhonov 正則化技術(shù)，將正則化問(wèn)題視為阻尼最小二乘問(wèn)題：

圖9 光譜重建算法。(a)光譜重建系統(tǒng)示意圖[82]；(b)寬帶光譜的重建結(jié)果[82];(c)基于CS 理論的窄帶光譜重建結(jié)果[81];(d)參數(shù)約束光譜編碼器和解碼器的設(shè)計(jì)框架[83];(e)基于深度學(xué)習(xí)的重建結(jié)果[113]Fig.9 Spectral reconstruction algorithm.(a) Schematic diagram of spectral reconstruction system[82];(b) Reconstruction results of broadband spectra[82];(c) Narrow band spectral reconstruction results based on CS theory[81];(d) Design framework for parametric constrained spectral encoders and decoders[83];(e) Reconstruction results based on deep learning[113]

其中，α是一個(gè)正則化參數(shù)，考慮到頻譜不能是負(fù)數(shù)，因此需要對(duì)求解施加非負(fù)的約束，則上式可以寫(xiě)為

通過(guò)L-曲線(xiàn)法[109]或者廣義交叉驗(yàn)證(GCV)法[110]可以自適應(yīng)地選擇正則化參數(shù)α，matlab 中的正則化工具能具體地實(shí)現(xiàn)上述求解過(guò)程，寬帶重建光譜如圖9(b)所示。對(duì)于窄帶光譜，可以分辨443.50 nm和446.50 nm 的窄間距峰，光譜分辨率小于3 nm[87]。

基于稀疏采樣的壓縮感知(compressive sensing，簡(jiǎn)稱(chēng)為CS)也是一種被廣泛應(yīng)用的技術(shù)[111]，與最小二乘法和正則化技術(shù)不同的是，CS 理論只需要較少的隨機(jī)稀疏采樣信號(hào)即可反演出原始光譜圖像，在有效地減小算法復(fù)雜程度的同時(shí)還具備較強(qiáng)的光譜重建能力。2022 年，Xiong 等[81]提出了一種基于可重構(gòu)超構(gòu)表面的硅實(shí)時(shí)超光譜成像芯片，他們利用CS 理論重建了光譜，如圖9(c)所示，超高中心波長(zhǎng)精度高達(dá)0.04 nm，光譜分辨率為0.8 nm。CS 理論的框架主要包括三方面[112]：稀疏表示、觀察矩陣和重建算法。首先對(duì)任何一個(gè)可壓縮信號(hào)x，用一組稀疏基Ψi表示，即然后通過(guò)觀察矩陣從原始信號(hào)中盡量去除作用不大的冗余信息，同時(shí)在降維過(guò)程中保留盡可能多的有用信息，最后利用重建算法從壓縮的低維測(cè)量數(shù)據(jù)中精確重建原始信號(hào)。

近年來(lái)，隨著深度學(xué)習(xí)在各個(gè)方面的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，利用深度學(xué)習(xí)進(jìn)行光譜反演也成為了高光譜圖像的一種重建方法。此外，傳統(tǒng)的濾波器設(shè)計(jì)方式大多是啟發(fā)式的，可能沒(méi)有充分發(fā)揮濾波器的編碼能力，而利用深度學(xué)習(xí)可以設(shè)計(jì)出最佳目標(biāo)頻譜對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)，圖9(d)是一種參數(shù)約束光譜編碼器和解碼器的設(shè)計(jì)框架[83]，其中寬帶編碼隨機(jī)濾波器(broadband encoding stochastic，簡(jiǎn)稱(chēng)為BEST)作為編碼器，光譜響應(yīng)通過(guò)預(yù)訓(xùn)練的網(wǎng)絡(luò)受到濾波器結(jié)構(gòu)參數(shù)的約束，如果在每個(gè)訓(xùn)練階段將一批頻譜輸入到編碼器中，則解碼器會(huì)給出相應(yīng)的輸出，即重構(gòu)的頻譜，對(duì)重構(gòu)頻譜的損失函數(shù)如均方誤差(MSE)進(jìn)行評(píng)估，并將誤差反向傳播到結(jié)構(gòu)參數(shù)(周期、高度、寬度等)，從而可以設(shè)計(jì)出最優(yōu)編碼器和解碼器?；谏疃葘W(xué)習(xí)重建的頻譜峰值分辨率為5.2 nm[113]，如圖9(e)所示。與CS 相比，深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有兩個(gè)優(yōu)勢(shì)，一是頻譜重建的速度可以快幾個(gè)數(shù)量級(jí)，二是訓(xùn)練良好的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有更好的去噪能力，因?yàn)樵谟?xùn)練的過(guò)程中可以添加更多的不同水平噪聲樣本來(lái)訓(xùn)練去噪能力[113]，需要注意的是，深度學(xué)習(xí)需要大量的數(shù)據(jù)集進(jìn)行訓(xùn)練，并且訓(xùn)練數(shù)據(jù)和參數(shù)選擇對(duì)重建結(jié)果有極大的影響，因此采用合理的數(shù)據(jù)集訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是關(guān)鍵的一個(gè)步驟。

3 光譜成像的應(yīng)用

與傳統(tǒng)光譜儀相比，基于超構(gòu)表面的光譜成像系統(tǒng)因?yàn)槌吖庾V分辨率、空間占用體積小和易與CMOS 傳感器直接集成等優(yōu)點(diǎn)，在生物傳感、遙感、醫(yī)學(xué)診斷和人臉識(shí)別等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用前景。

在分子層面上，探測(cè)蛋白質(zhì)、DNA 等大分子結(jié)構(gòu)的狀態(tài)可以使用化學(xué)熒光團(tuán)對(duì)目標(biāo)結(jié)構(gòu)進(jìn)行標(biāo)記、然后通過(guò)探測(cè)器探測(cè)熒光團(tuán)發(fā)出的光進(jìn)行分析的研究方法，基于超構(gòu)表面的光譜成像因?yàn)榫哂锌煺盏膬?yōu)勢(shì)而可以被用于快速熒光測(cè)量[114]。然而對(duì)于一些特殊情況，熒光標(biāo)記可能會(huì)損壞分子或細(xì)胞的結(jié)構(gòu)，因此需要采用無(wú)標(biāo)記的技術(shù)。中紅外光譜是一種強(qiáng)大的無(wú)損和無(wú)標(biāo)記的技術(shù)，被廣泛用于識(shí)別生物化學(xué)組成部分，但是由于中紅外波長(zhǎng)與分子尺寸不適配，光譜靈敏度往往會(huì)受到限制。Tittl 等[68]提出利用亞波長(zhǎng)諧振器的強(qiáng)近場(chǎng)增強(qiáng)可以克服這一限制，當(dāng)由亞波長(zhǎng)諧振器組成的濾波片的共振與吸收分子的光譜重疊時(shí)，增強(qiáng)的分子-諧振器的耦合會(huì)導(dǎo)致共振頻率或強(qiáng)度的變化，如圖10(a)所示，在分子被吸附前，所有的峰值反射率都被歸一化為1，當(dāng)單層分子被吸附在諧振器上時(shí)，光譜發(fā)生變化，用多個(gè)組合的光譜通道可以檢測(cè)重組蛋白A/G 是否被吸收?；陬?lèi)似的原理，他們還提出并演示了一個(gè)超靈敏的大面積無(wú)標(biāo)記生物傳感分析平臺(tái)，在數(shù)百萬(wàn)個(gè)圖像像素中能獲取空間分辨的光譜，這可以用于大面積分析生物實(shí)體和原子層厚的二維材料[66]。圖10(b)展示了如何通過(guò)這種方法探測(cè)石墨烯的光學(xué)特性，由于石墨烯在近紅外(NIR)(n=2.69，k=1.52)中的光學(xué)響應(yīng)，所以存在約為3 nm 的紅移和線(xiàn)寬展寬，在超構(gòu)表面平臺(tái)上覆蓋一張石墨烯，邊緣用白色虛線(xiàn)標(biāo)記，通過(guò)條形碼傳感技術(shù)檢測(cè)了由于超構(gòu)表面與石墨烯的局部相互作用增強(qiáng)而出現(xiàn)的光譜變化，光譜位移和線(xiàn)展寬信息與石墨烯的光學(xué)特性一致。值得注意的是，對(duì)于由多個(gè)分析物混合得到的樣本，通過(guò)簡(jiǎn)單的線(xiàn)性分解能獲得原分析物的光譜，然而對(duì)于涉及了多個(gè)分析物和生物分子的動(dòng)力學(xué)相互作用，即非線(xiàn)性過(guò)程，該分析方法就不再適用了。通過(guò)借助更復(fù)雜的基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的圖像重構(gòu)或機(jī)器學(xué)習(xí)等算法可以提高對(duì)分析物的分辨能力，孟佳軍等[115]實(shí)驗(yàn)演示了一個(gè)用于化學(xué)鑒定的緊湊微光譜儀平臺(tái)，他們通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)算法對(duì)微光譜儀的輸出光譜進(jìn)行了分析和分類(lèi)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)液體化合物質(zhì)的高精度鑒定，該方法也可以用于食品和藥物的分類(lèi)。

圖10 (a)分子指紋檢索和空間吸收繪圖[68]；(b)利用介電超構(gòu)表面對(duì)石墨烯進(jìn)行光學(xué)表征[66]；(c)用于小鼠腦血流動(dòng)力學(xué)成像的超構(gòu)表面裝置圖[81]Fig.10 (a) Molecular fingerprint retrieval and spatial absorption mapping[68];(b) Optical characterization of graphene using dielectric metasurface[66];(c) Metasurface device diagram for mouse cerebral hemodynamic imaging[81]

與分子層面上的靜態(tài)光譜探測(cè)相比，基于實(shí)時(shí)光譜成像的動(dòng)態(tài)光譜探測(cè)在生物醫(yī)學(xué)研究中有著更為巨大的潛力。一種基于壓縮感知算法的超光譜成像芯片可以用于腦血流動(dòng)力學(xué)成像[81]，如圖10(c)所示，該芯片包括158400 個(gè)可重構(gòu)的超構(gòu)表面單元，在物體的光譜重建過(guò)程中，超構(gòu)表面中相鄰的單元可以動(dòng)態(tài)地被組合成可重構(gòu)、自適應(yīng)的微光譜儀。

人臉識(shí)別是一種生物識(shí)別的身份認(rèn)證方法，與傳統(tǒng)密碼不同的是，人臉這一生物特征特性不易被盜竊或改變，因此提供了更好的安全性能，在安防系統(tǒng)、日常生活中有著廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景。然而在一些場(chǎng)景中可以通過(guò)打印的照片或面具來(lái)攻擊人臉識(shí)別系統(tǒng)，盡管利用三維人臉識(shí)別或視頻分析能檢測(cè)出假臉，但是隨著3D 打印技術(shù)的興起和仿生硅膠技術(shù)的發(fā)展，面具做得越來(lái)越逼真，難以識(shí)別。Kim 等[116]基于結(jié)構(gòu)光提出了一種全空間衍射超構(gòu)表面，這可以為人臉識(shí)別和汽車(chē)機(jī)器人視覺(jué)應(yīng)用提供超緊湊的深度感知平臺(tái)。此外，光譜分析一直是鑒別不同材料的有效工具，Rao 等[79]開(kāi)發(fā)了一種能獲得面部高精度高光譜信息的快照?qǐng)D像傳感器，只需要50 ms 即可高精度地測(cè)量面部的反射光譜并得到血紅蛋白的吸收峰。圖11(a)是傳感器分別對(duì)真臉、紙質(zhì)面罩、硅膠面具和硅膠原料的光譜測(cè)量結(jié)果，通過(guò)光譜的特征能有效地區(qū)分出真臉和假臉，這種檢測(cè)系統(tǒng)在真實(shí)世界的測(cè)試場(chǎng)景中準(zhǔn)確率高達(dá)97.98%。

圖11 (a)對(duì)真臉和其他面具的光譜測(cè)量結(jié)果[79]；(b)密碼顯示的工作原理圖[117]；(c)通過(guò)可見(jiàn)光波段不透明物體的近紅外成像演示[119]Fig.11 (a) Spectral measurement results of a real face and other masks[79];(b) Operation schematic of the crypto-display[117];(c) Demonstration of NIR imaging through the object that is opaque at visible wavelengths[119]

除了通過(guò)光譜來(lái)研究探測(cè)物外，利用超構(gòu)表面的光譜響應(yīng)還能實(shí)現(xiàn)一種加密顯示，Yoon 等[117]提出了一種雙模超構(gòu)表面的概念，它可以同時(shí)控制透射和反射兩種操作模式的相位和光譜響應(yīng)。在透射模式下，超構(gòu)表面通過(guò)調(diào)整入射光的相位分布，使其顯示出“3.141592…”，在反射模式下，通過(guò)白光照明會(huì)產(chǎn)生一幅反射的“π”彩色圖像，如圖11(b)所示。彩色圖像經(jīng)過(guò)超構(gòu)表面光譜成像系統(tǒng)后被分解成光譜的形式，同樣地，利用光譜也能通過(guò)一些方法(如CIE 1931 色彩空間)進(jìn)行顏色重建[117-118]。與傳統(tǒng)相機(jī)僅在可見(jiàn)光下成像相比，超構(gòu)表面光譜成像系統(tǒng)還能實(shí)現(xiàn)對(duì)可見(jiàn)波長(zhǎng)不透明的物體近紅外成像[119]，如圖11(c)所示，涂有黑色墨水的玻璃遮擋了放置在其后的環(huán)狀物體，在傳統(tǒng)相機(jī)下很難看到的圖像通過(guò)多光譜成像系統(tǒng)能被觀察到，超構(gòu)表面光譜成像系統(tǒng)在特殊場(chǎng)景成像方面有很大的潛力。

4 總結(jié)與展望

本文首先分析總結(jié)了多種機(jī)理的超構(gòu)表面光譜成像，工作原理主要分為超色散、窄帶濾波和寬帶濾波三種，其中窄帶濾波包含透射型、吸收型和反射型三種濾波方式，寬帶濾波包含獲得隨機(jī)分布的光譜曲線(xiàn)和利用光譜重建算法重建光譜這兩個(gè)關(guān)鍵的步驟。然后回顧了近年來(lái)超構(gòu)表面光譜成像在實(shí)際中的應(yīng)用研究。由于超構(gòu)表面可以很容易地集成到二維平面中，因此基于超構(gòu)表面的光譜成像對(duì)實(shí)現(xiàn)緊湊型光譜儀有重要的意義。

通過(guò)我們的分析還可以客觀地看到，基于超構(gòu)表面的光譜成像目前還存在一些瓶頸，主要包括：1)超色散的原理限制了集成化。利用超構(gòu)表面本身存在的色散，并通過(guò)相位調(diào)控使波長(zhǎng)在空間中依次排列實(shí)現(xiàn)的光譜成像具有較高的光利用率和較強(qiáng)的光譜分辨能力，然而對(duì)于集成度和分辨率難以兼顧。2)窄帶濾波對(duì)工藝技術(shù)的要求較高。窄帶濾波利用頻率的主動(dòng)選擇進(jìn)行光譜成像，通過(guò)犧牲光利用率達(dá)到了非常高的集成度，但是普通的微納制造技術(shù)難以達(dá)到對(duì)精確度的要求，光譜分辨率受限于制造工藝的發(fā)展。3)寬帶濾波需要復(fù)雜的重建算法。寬帶濾波將對(duì)硬件的重心轉(zhuǎn)移到后端光譜重建算法上，在具有較高的光利用率的同時(shí)保持了高集成度，分辨率與算法的精確度息息相關(guān)，因此需要大量的數(shù)據(jù)集和時(shí)間訓(xùn)練算法。雖然基于超構(gòu)表面的光譜成像還存在上述的一些不足，但隨著技術(shù)的發(fā)展和研究的進(jìn)一步深入，光譜重建算法的效率將得到進(jìn)一步優(yōu)化，制造工藝的精度也將得到提升，我們相信未來(lái)能突破現(xiàn)存的瓶頸，實(shí)現(xiàn)真正意義上的高分辨緊湊型光譜儀。