李?yuàn)W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(yùn)載工程學(xué)院 國(guó)家高效磨削工程技術(shù)研究中心，湖南 長(zhǎng)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(shí)驗(yàn)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(yàn)物理與計(jì)算數(shù)學(xué)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(cè)到空中高溫目標(biāo)（飛機(jī)噴口、導(dǎo)彈尾焰等）；8～15 μm 為長(zhǎng)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(dòng)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(gè)大氣窗口，可觀測(cè)到地面常溫目標(biāo)（人、自然物等）?；谶@兩個(gè)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(cè)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)間隔陣列在一個(gè)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(duì)比度，超構(gòu)表面可以實(shí)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(jì)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(shí)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(zhǎng)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(shí)驗(yàn)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(zhǎng)工作的超構(gòu)表面光學(xué)器件通常具有相似的設(shè)計(jì)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(shí)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(huì)導(dǎo)致色彩錯(cuò)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(duì)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(shí)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(dòng)頻率與入射電磁波的頻率相匹配時(shí)會(huì)發(fā)生共振，金屬天線將光集中到比波長(zhǎng)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(jì)金屬天線的尺寸、形狀和方向可實(shí)現(xiàn)不同的共振頻率，進(jìn)而改變某個(gè)頻點(diǎn)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(huì)不可避免地引入歐姆損耗，難以實(shí)現(xiàn)高效率的光場(chǎng)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(diǎn)都可看作是新的次波源，而從波陣面上各點(diǎn)發(fā)出的次波所形成的包絡(luò)面，就是原波面在一定時(shí)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(shí)現(xiàn)的電磁超構(gòu)透鏡。惠更斯超構(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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)覆蓋整個(gè)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(huì)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(huì)產(chǎn)生光程差，利用這一光程差可實(shí)現(xiàn)對(duì)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(gè)微納米結(jié)構(gòu)單元可近似為截?cái)嗖▽?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(shí)，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(jì)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(duì)稱的特點(diǎn)。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(chǎng)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(shí)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(shí)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(chǎng)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(píng)價(jià)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(duì)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(zhǎng)厚度的介質(zhì)間距與接地金屬平面分離，如圖1（a）所示。實(shí)驗(yàn)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(jì)時(shí)會(huì)帶來不便，通常將超構(gòu)透鏡設(shè)計(jì)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(huì)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(huì)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(shí)現(xiàn)的。2017 年，Zuo 等設(shè)計(jì)了在4 μm 工作波長(zhǎng)下的偏振不敏感全介質(zhì)超構(gòu)透鏡，其實(shí)驗(yàn)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(jì)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(shí)現(xiàn)更好的光學(xué)性能。同時(shí)，在這項(xiàng)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(shí)現(xiàn)了6.5 μm 工作波長(zhǎng)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(bào)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(duì)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(jì)，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(jì)，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(zhǎng)下實(shí)現(xiàn)了高達(dá)75%的實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)下實(shí)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(shí)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(cè)器材料中，它由與探測(cè)器襯底（這里是GaSb）相同的材料制成，因此可直接在探測(cè)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(shí)現(xiàn)了52%的最大實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)越長(zhǎng)，偏轉(zhuǎn)角越大，透鏡焦距越短。即不同波長(zhǎng)的光最終聚焦在不同的空間點(diǎn)上［41］，間接導(dǎo)致成像、顯示和檢測(cè)性能的下降。在實(shí)際應(yīng)用中，元件通常在一個(gè)波段內(nèi)工作，因此消除色差，即讓不同波長(zhǎng)的光聚焦在同一點(diǎn)，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(gè)在特定波長(zhǎng)工作的超構(gòu)透鏡疊加而實(shí)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(gè)離散的波長(zhǎng)下實(shí)現(xiàn)聚集。第二種方法則能在連續(xù)波段實(shí)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(zhǎng)無關(guān)的基礎(chǔ)相位和波長(zhǎng)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(zhǎng)，f為消色差后的統(tǒng)一焦距?？梢姡阶拥牡谝徊糠譃榛A(chǔ)相位，只與最大波長(zhǎng)λmax有關(guān)。第二部分則是工作波長(zhǎng)λ的函數(shù)，可理解為該波長(zhǎng)下的相位與最大波長(zhǎng)處所對(duì)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(jì)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(jì)角頻率。一階導(dǎo)數(shù)項(xiàng)與二階導(dǎo)數(shù)項(xiàng)分別定義為群延遲和群延遲色散，群延遲項(xiàng)補(bǔ)償了波包到達(dá)焦點(diǎn)位置時(shí)間的差異，而群延遲色散項(xiàng)確保了波包形狀的一致性，二者共同實(shí)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(jì)。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(shí)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(shí)，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(jì)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(duì)稱性的圓形結(jié)構(gòu)，保證了偏振不敏感性，基于此設(shè)計(jì)制作了一個(gè)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(jì)超構(gòu)透鏡對(duì)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(shí)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(gè)微米柱對(duì)應(yīng)矩形微型波導(dǎo)，兩個(gè)微米柱對(duì)應(yīng)狹縫微型波導(dǎo)，3個(gè)微米柱對(duì)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(jì)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(shí)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(duì)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(huì)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(gè)3～5 μm 帶寬內(nèi)實(shí)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(chǎng)成像系統(tǒng)中，軸外像差（彗差、像散、場(chǎng)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(chǎng)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(jì)是在彎曲基板上制作微納米結(jié)構(gòu)陣列實(shí)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(chǎng)成像設(shè)計(jì)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(duì)正入射光產(chǎn)生衍射極限聚焦，而在斜入射情況下焦點(diǎn)會(huì)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(jì)均以Chevalier Landscape 鏡頭為參考［55］，即在聚焦透鏡前放置一個(gè)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(jì)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(shí)，可以有效消除彗差和像散，而衍射透鏡的場(chǎng)曲始終為零。因此，將這種設(shè)計(jì)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(jì)波長(zhǎng)，(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(xiàng)式，如下：

式中：M為衍射級(jí)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(gè)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(shí)現(xiàn)高質(zhì)量成像。也有學(xué)者基于二次相位設(shè)計(jì)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(diǎn)的空間位移［57-58］?；谶@兩種設(shè)計(jì)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(chǎng)，故又可稱為大視場(chǎng)超構(gòu)透鏡。

2020 年，Shalaginov 等設(shè)計(jì)了一種視場(chǎng)范圍超過170°的單層中紅外（波長(zhǎng)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，設(shè)計(jì)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(duì)較低，且不同視場(chǎng)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(jì)更適用于小NA 的應(yīng)用場(chǎng)景中［60］，因?yàn)檫@種組合不能校正球差。在大NA 的應(yīng)用場(chǎng)景中，通常會(huì)用一個(gè)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(jí)聯(lián)超構(gòu)透鏡，能同時(shí)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(zhǎng)為10～11 μm內(nèi)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了工作視場(chǎng)為0～±30°全硅消色差級(jí)聯(lián)超構(gòu)透鏡［62］。最終，制備的級(jí)聯(lián)超構(gòu)透鏡在正入射時(shí)的平均聚焦效率為20.62%，30°角入射時(shí)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(jì)而成的大視場(chǎng)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(jì)并制備了長(zhǎng)波紅外超構(gòu)透鏡［63］，并與紅外探測(cè)器和紅外帶通濾波器集成為相機(jī)，在10.6 μm波長(zhǎng)下實(shí)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(chǎng)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(cè)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(shí)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(shí)現(xiàn)變焦或焦點(diǎn)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(chǎng)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L(zhǎng)CP 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(duì)相對(duì)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(duì)應(yīng)的光強(qiáng)，即可計(jì)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］。基于此原理可同時(shí)實(shí)現(xiàn)偏振成像與偏振檢測(cè)［67-69］。Li 等用6 個(gè)焦點(diǎn)在波長(zhǎng)5 μm 處實(shí)現(xiàn)了全斯托克斯偏振檢測(cè)［70］。作者將3 個(gè)同維度的雙焦超構(gòu)透鏡與能夠測(cè)量光強(qiáng)的光電探測(cè)器集成，如圖4（a）所示，其中3 個(gè)超構(gòu)透鏡分別聚焦x，y線偏振對(duì)，±45°線偏振對(duì)和LCP 與RCP 偏振對(duì)。對(duì)于任意偏振光的入射，通過測(cè)量這3 對(duì)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(jì)了能同時(shí)對(duì)這4 個(gè)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(cuò)結(jié)構(gòu)而不是分區(qū)域結(jié)構(gòu)［68-69］實(shí)現(xiàn)的，因此無需嚴(yán)格對(duì)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(zhǎng)下對(duì)“IOE”字樣進(jìn)行偏振成像測(cè)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(shí)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(shí)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(gè)離軸點(diǎn)［72］。2021 年，Ou等又提出能在3.5～5 μm 中紅外波段實(shí)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(lì)下實(shí)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(shí)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(shí)，會(huì)反射與其旋向相同的LCP 光同樣實(shí)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(gè)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(dòng)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(shí)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(chǎng)相互作用引起的電磁耦合和散射相位差［75-76］，可對(duì)超構(gòu)透鏡的共振波長(zhǎng)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(lì)（電、熱等）進(jìn)行主動(dòng)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(shí)現(xiàn)動(dòng)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(zhǎng)下實(shí)現(xiàn)了基于超構(gòu)透鏡的動(dòng)態(tài)聚焦［80］。通過改變環(huán)境溫度或外部飛秒激光脈沖，對(duì)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(shí)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(shí)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(shí)在兩種狀態(tài)之間能實(shí)現(xiàn)較大的折射率對(duì)比度。Shalaginov 等設(shè)計(jì)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(shí)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(zhǎng)5.2 μm 中實(shí)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(jì)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(shí)現(xiàn)橫向分離、縱向分離、橫向與縱向同時(shí)分離的兩個(gè)聚焦點(diǎn)。并能在GSST 從非晶態(tài)轉(zhuǎn)化為晶態(tài)時(shí)實(shí)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(zhǎng)下RCP 光入射時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(gè)小的氣隙與一個(gè)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(dòng)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(shí)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(shì)，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(zhǎng)為3.8 μm。動(dòng)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(gè)來源。超晶格發(fā)光二極管與紅外焦平面陣列類似，紅外場(chǎng)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(zhǎng)下提出了一種基于超構(gòu)透鏡實(shí)現(xiàn)的發(fā)光二極管，并制備了41×41 個(gè)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(cè)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(gè)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(cè)靈敏度，如圖6（b）所示。他們通過在長(zhǎng)波紅外探測(cè)器的成像元件中集成一個(gè)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(gè)像元面積的比值。模擬測(cè)得所設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)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(duì)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(shí)現(xiàn)成像中三個(gè)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(shí)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(shì)更為明顯。雖然超構(gòu)透鏡在中紅外波段已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展，特別是在制造和設(shè)計(jì)方面，但仍存在許多挑戰(zhàn)。要實(shí)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(bào)道。例如，深度測(cè)量［87-88］、層析成像［89-90］、光場(chǎng)成像［91-92］等，仍值得我們探索。同時(shí)，目前的成像應(yīng)用實(shí)例大多實(shí)現(xiàn)的是單一功能，對(duì)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(jì)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(jì)與制備時(shí)，需要處理海量數(shù)據(jù)，往往會(huì)耗費(fèi)大量的時(shí)間和計(jì)算容量，仍需探究更成熟的數(shù)據(jù)處理方式、設(shè)計(jì)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(duì)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(jì)的方法被稱為計(jì)算成像［95-96］，為設(shè)計(jì)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(jì)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(gè)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(jì)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(shí)，其加工與半導(dǎo)體工藝兼容，有望實(shí)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(huì)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。