超表面透镜介绍（metalenses）丨设计原则、应用及加工方法
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什么是超透镜？
超透镜（Metalenses）又称超构透镜。是一种二维平面透镜结构，是由超表面（具有亚波长厚度的平面二维 (2D) 超材料）聚焦光的光学元件制成。被誉为2019年十大新兴技术之一。
超透镜拥有体积更薄、重量更轻、成本更低、成像更好、更易集成的优点，为紧凑集成的光学系统提供了潜在的解决方案。并且可通过调整结构的形状、旋转方向、高度等参数实现对光的偏振、相位和振幅等属性进行调控。
超透镜的设计原则及相位调控方式
超透镜的设计原则是基于超表面的两个特殊特征：超表面相位分布的选择和纳米尺度结构的几何设计。可以通过几何结构的设计和制造来实现对光波特性（包括相位、幅度和偏振）的控制，调整亚波长结构的轮廓、位置和角度，从而控制超透镜的聚焦和成像特性。
超透镜有三种基本相位调控方法：
共振相位调控、传播相位调控、几何相位调控（又称 PB 相位调控）。
- 共振相位调控是通过改变共振频率来实现相位突变，共振频率由纳米级结构的几何形状控制。但因为共振相位超表面通常由金、银、铝等金属材料制成，不可避免引起欧姆损耗，难以实现高效率的光场调控。而由低损耗的介质材料制成的超表面透镜可有效解决此问题。
- 传播相位是由于电磁波在传播的过程中会产生光程差，利用这一特性可实现对相位的调控。相位调控（φ）由光程差调节，其中波长为 λ ，介质的有效折射率为 n ，电磁波在均匀介质中传播距离d（结构的高度） ，其中k0=2π/λ 为自由空间波矢，则电磁波积累的传播相位可以表示为：
在微纳米结构高度固定时，可通过微纳米结构的形状、尺寸和结构单元周期等进行调节基于传播相位原理设计的超透镜，通常由各向同性的微纳米结构构成，具有高度对称的特点。因此赋有超透镜偏振不敏感性，即微纳米结构的相位响应与入射光的偏振类型无关，适用于大多数应用场景。
- 几何相位是一种通过调整具有相同尺寸微纳结构的旋转角度，实现光波的相位突变，从而实现对相位梯度或分布的人工控制，因此极大地降低了设计和加工超表面的复杂性。几何相位调控的优点在于它并不受材料色散、结构尺寸以及结构共振的影响。
为了实现聚焦透镜功能，使所有光线达到同一个焦点，平面超透镜的相位应该满足：
其中λ为波长，f 为焦距，x和y是相对于超透镜中心的空间坐标。可以算出每个位置对应的相位，通过超表面实现这样的相位分布设计超透镜。
晶胞旋转角 θ 应满足方程
前面分别介绍了三种超构表面的基本相位调控原理，然而，任何单独的相位调制都无法实现消色差成像或全彩色成像。在实际应用中，制作超透镜时通常会混合两种或以上的原理实现相位调控。
超透镜的研究现状及应用
高数值孔径 (NA) 超透镜
超透镜的聚焦效率是成像和传感应用的关键。通过抑制 1) 由具有波长尺度尺寸的结构引起的散射，2) 由阻抗失配引起的反射，以及 3) 由材料损耗引起的材料吸收，可以提高超透镜的聚焦效率。共振、几何和传播相位机制可用于增强聚焦性能。
消色差超透镜 (AML)
超透镜作为一种衍射光学器件，与其它衍射透镜一样，其自身也存在着严重的色差。尽管这类透镜能够在较宽的光学波段工作，然而色差的存在严重限制了在光学聚焦和成像当中的应用。特别是对于光学超分辨平面超构透镜，如何在实现超分辨点光学扩散的同时，消除平面超构透镜的色差还面临着诸多挑战。
- 多波长消色差超透镜，基于低损耗耦合矩形介电谐振器的超透镜
- 宽带消色差超透镜：不同超透镜的构建模块和强度分布
- 窄带消色差超透镜
多焦点超透镜
具有多个焦点的聚焦透镜是重要的光学元件。在多光谱相机中，使用多个镜头来实现多点聚焦，导致设备体积大、重量大、成本高。超表面通过专门的设计可以有效解决这个问题，可以简化光学系统的结构，具有薄型化、小型化和高集成度等特点。
超透镜加工方法
基于光刻技术
光刻是一种结合了曝光和刻蚀的工艺。将带有设计图案的掩模放置在涂有光刻胶的基板上。在特定光源的照射下，光刻胶被化学改性。在显影和刻蚀之后，在基板上形成微米和纳米级的图形层。光刻工艺一般包括基板加工、基板涂布、旋转光刻胶涂布、软干、曝光、显影、硬干、蚀刻和测试。
光刻技术具有高分辨率，可以精确控制形成图案的形状和尺寸。它在半导体和微电子制造、光学 、生物学、超材料等方面有着广泛的应用。但其应用受限于设备成本高、使用环境要求高、合适的材料有限等。
电子束光刻（EBL）
利用电子束，通过改变抗蚀剂的溶解度，直接在覆盖有抗蚀剂的表面上写入设计图案。电子束光刻技术是目前已知分辨率最高的光刻技术，分辨率已经到达了10nm以下。具有超高分辨率以及无需光刻掩膜板的优点，其缺点有：1、高精度地对准套刻進以实 2、效率较低，难以应用大规模大批量生产 3、曝光速度较慢。因此此技术多应用于制作光学投影光刻模板、设计验证新光刻技术、实验研究、原型验证等方面。
飞秒激光直写光刻
飞秒激光直写光刻，也称为双光子光刻或双光子聚合（TPP），是指飞秒激光束聚焦在感光材料内部，通过光引发剂，引发聚合反应，通过控制激光焦点的移动形成微/纳米结构。飞秒激光具有高精度、高灵活性和真三维加工等特性，可以制造任意形状的精密3D微结构且无需光学掩膜，目前最小的特征尺寸可以达到10 nm。
使用TPP技术制作的超透镜
纳米压印技术（深入了解）
纳米压压印技术(nanoimprintlithography,NIL）是一种制作纳米级图案的微纳加工工艺。是将具有纳米级尺寸图案的模板通过某种方式将图案作用到高分子材料的衬底上进行等比例压印复制图案的微纳加工工艺。
纳米压印是加工聚合物结构最常用的方法。拥有成本低、工期短、产量高、分辨率高等优点。
成熟且常用的纳米压印技术工艺主要有：纳米热压印(T-NIL) 技术、紫外光固化压印( UV-NIL) 技术和微接触印刷( μCP)。
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