Research Progress

Revolutionary meta-imaging: from superlens to metalens

2023-04-21   1058    

Photonics Insights创刊主编邀请,南京大学李涛教授、祝世宁院士团队撰写了题为“Revolutionary meta-imaging: from superlens to metalens(革命性的超构成像:从超透镜到超构透镜)、长达47页的综述论文,并发表于Photonics Insights 2023年第1期。

该综述从超构材料发展的历史角度系统阐述了超构材料在成像技术方面提供的新原理、新结构、新设计,内容涵盖了超透镜(superlens)和超构透镜(metalens)及相关衍生品的成像机理与独特功能,特别针对超构成像技术的变革性应用场景展开讨论,对其面临的挑战和下一步发展方向提出了展望。日本理化研究所(RikenTakuo Tanaka教授为该综述撰写了题为“Metalenses for revolutionary imaging”的点评论文。

01、变革性的超构成像技术

光学镜头是成像技术的核心元件。人们对成像性能的追求永无止境,高分辨率、大视场、高信噪比、高信息通量是高成像性能的重要指标。在当今信息时代,轻量化、便携性的成像系统越来越受人们关注。然而,受到光学原理的限制,传统镜头的成像性能与器件的集成度之间存在内在制约,比如高分辨与大视场,成像质量与器件复杂度等。如何打破传统制约,实现变革性的新型成像技术,这需要在原理上做出创新。

超构材料(metamaterial)是一种基于微纳结构设计构建的新型人工功能材料,它的光学性能有望突破传统光学材料的局限。比如,英国科学家Pendry教授指出这种负折射超构材料构建的平板具有突破衍射极限的能力,被定义为超透镜(superlens)。不过,受限于其苛刻的工作条件,真正具有高性能、规模化应用的超透镜还是面临诸多挑战。

2011年,哈佛大学Capasso研究组提出超构表面的概念,开辟了光学超构材料研究的新方向。其中超构透镜(metalens)因其超轻超薄、平面构型而被人们广泛关注。近几年来,超构透镜的成像性能不断获得提升,但较之于传统成熟的透镜成像模组,还存在明显差距。因此,尽管超构透镜在器件小型化、轻量化、功能灵活性等方面具有独特优势,但要达到现有透镜组的成像性能还面临诸多挑战。

该综述从超构材料的主线,系统阐述了“超透镜”、“超构透镜”、“多阶衍射透镜”三类平板透镜的工作原理、设计方法、功能特性,详细讨论了它们在成像应用中各自的优缺点,适用场景,以及改进方案,并对可能带来的新型成像架构和变革性应用场景做出展望。

1 光学透镜发展的两个分支:天然材料和超构材料(人工结构材料)。其中基于微纳光学设计的超构透镜和多阶衍射透镜将有望带来变革性的信息技术应用

02、超越极限:负折射率材料与超透镜

如何突破传统光学的衍射极限一直是科学家们孜孜以求的目标。Pendry教授在2000年指出,一块具有负折射率的平板就可以具有完美成像的功能。其核心物理思想是负折射材料中的电磁响应可以对携带物体高频信息的倏逝波进行放大。

2展示了物体表面携带不同结构信息的电磁波辐射的波矢分析,其中携带超小尺寸结构信息对应的是一种倏逝波,不会辐射出去被光学系统收集到。但是负折射率平板超透镜可以将倏逝波放大,从而恢复出物体的超分辨信息。

2 波矢空间光场传播特性与结构尺寸的关系示意图

超透镜的原理如此美妙,但如何实现呢?尽管前苏联科学家Veselago很早提出负折射的想法,但一直未有跟进的实现方案。直到Pendry教授提出用亚波长的金属网格和劈裂共振环来分别实现负的电磁响应,由此构建负折射率材料。此后,人们提出了各种方案实现并演示负折射率材料与超透镜功能。然而受限于结构的复杂性、材料损耗等诸多挑战,实现应用还有很大差距。

另一方面,人们也成功构建出具有负折射效应的平面结构,并演示了其灵活的色散调控与超构透镜功能。比如,南京大学研究组构建面内“超透镜”亚波长成像为亚波长光子集成提供了全新的思路。由此可见,虽然负折射与超透镜尚未得到大规模的应用,但是其革命性的物理思想和设计原理仍在不断启发光子学朝前沿方向发展,并有可能带动如光子集成等新的应用领域。

03、新的革命:超构透镜

2011年,哈佛大学Capasso教授研究组提出超构表面(metasurface)的概念,它同样能够在亚波长尺度上调控光的波前信息,并导出广义Snell定律。这一革命性的思想极大的丰富了人们调控光的手段。之后人们成功发展出共振相位、几何相位、传播相位等超构表面设计方法,并演示了各种光场调控功能,如角动量光束、偏振复用、全息等等。

其中,具有聚焦相位设计的超构透镜,由于超轻超薄、功能多样、调控灵活等特点被广泛关注。人们针对超构透镜成像应用中的消色差和消像差特性开展了大量的研究。其中,多重相位联合调控被广泛应用于消色差的超构透镜设计;在消像差方面,人们也通过超构透镜的相位优化和双层结构等方案取得一些进展。不过综合来看,消色像差的超构透镜整体性能距离成熟的折射透镜组仍然存在差距。

综合各项进展,可以看到制约超构透镜综合性能的主要原因在于,亚波长结构单元能够进行时空色散的调节能力有限,很难完成大尺寸范围、大工作带宽、大视场角度下的相位设计与补偿来获得优异的综合成像性能。设计并研制更大厚度、更多层、采用透镜阵列、以及进行人工智能优化等方法来增加超构透镜的参数空间,是该文章提出的提升超构透镜成像性能的主要解决方案。图3总结了超构透镜在成像应用方面的优势、存在的挑战,以及可能的解决方案。

3 超构透镜在成像应用方面的优势、存在的挑战,以及可能的解决方案

04、平行技术:多阶衍射透镜

作为波动光学的重要应用之一,衍射光学器件在十九世纪就得到了发展,但由于存在高阶衍射、低工作效率等问题,主要用于光束整形而非成像领域。随着加工技术的进步,具有“自由形貌”多阶衍射透镜也被开发出来,成为超构透镜技术的有力竞争者。图4为衍射透镜的发展过程与主要特征。

近年来,利用算法优化的衍射环高度调节,美国犹他大学Menon教授研究组开展了一系列消色差多阶衍射透镜的研究,并成功研制出大尺度的消色差平面衍射透镜,该透镜可以看成超构透镜的一种变式。

近期,南京大学研究团队提出了新的设计方法和结构优化方案,成功研制出厘米级直径、超宽带消色差平面透镜,综合性能目前世界最高。此外,人们开始将人工智能等算法引入到成像性能的提升上,并取得了显著的效果。

4 平面衍射透镜的发展历程及性能特征

05、超构成像的应用场景

单纯从成像性能来看,这些轻薄的超构透镜和衍射透镜较之现有的成像系统都存在明显差距,那么它们可能带来的颠覆性应用在哪里?这个问题不仅是学术界,同样也是当前工业界极为关心的问题。

其实,利用超构透镜多维光场调控优势,人们已经开发出多种新应用场景。比如,光谱层析成像技术、螺旋相位相差成像、大景深光场成像、四维光谱成像、平面广角成像,等等。并开发出各种高度集成器件,如:超构透镜内窥镜、超构显微镜、偏振相机、pancake相机等。

以超构显微镜为例,南京大学研究团队设计了基于偏振复用的超构透镜阵列,对两组成像的视场进行补偿,极大扩展了显微成像的视场范围,最终研制出的宽视场超小型超构显微镜(见图5)。这在性能提升的同时,大大增加了器件的便携性,有望为医疗诊断开辟新技术范式。此外,超构透镜技术还在压缩成像空间、提升AR/VR性能等方面表现出巨大的潜力。

5 偏振复用超构透镜阵列构建的大视场超构显微镜

06、总结与展望

新世纪以来,我们见证了微纳光子学和超构材料的蓬勃发展,众多的新物理概念被提出,新效应新原理被发现,新功能被开发。该综述从成像技术角度阐述了从超透镜到超构透镜的发展历史和主要特征,总结在迈向产业应用时面临的挑战,以及可能的解决方案。

所有过往,皆为序章。超构成像技术已经展示出日益丰富而独特的应用场景,随着新设计原理的不断丰富、先进制程的日益成熟、人工智能的持续引入,由超构光子学带来的成像技术和产业的变革正在拉开序幕。

来源于中国激光杂志社。