超透鏡是使用超表面來聚焦光線的平面透鏡。超表面是指一種厚度小于波長的人工層狀材料。超表面可實現(xiàn)對電磁波偏振、振幅、相位、極化方式、傳播模式等特性的靈活有效調控。 

超透鏡技術為鏡頭提供了一系列新的輕量化設計選項，而且表面的平坦特性還有助于避免傳統(tǒng)曲面鏡頭中常見的圖像變形失真的問題。

超透鏡（配圖來自網絡）

超鏡頭的優(yōu)點

大多數傳統(tǒng)透鏡設計使用凸面或凹面形狀來聚焦或擴展入射光束。雖然在光軸上可以實現(xiàn)近乎理想的聚焦，但產生的圖像可能會因穿過其他鏡頭區(qū)域的光線而失真。圖像角落的桶形和枕形畸變是最常見的。

校正鏡頭像差通常意味著創(chuàng)建定制鏡頭或多個光學元件，這會增加設備的重量和體積。如果設備需要改變焦距位置或平移光束，則還需要移動任何鏡頭組，這可能會導致進一步的不穩(wěn)定。

與傳統(tǒng)透鏡設計相比，衍射透鏡具有一些優(yōu)勢，因為它們也是扁平的，并且相對容易以低成本制造。然而，這些鏡頭的顯著缺點之一是存在高階衍射，從而限制了可以實現(xiàn)的圖像質量。相比之下，超透鏡在設計上更加靈活，并且在透射圖像中不存在更高衍射階數的相同問題。

現(xiàn)在正在為超透鏡創(chuàng)造許多新型的表面，這些表面將允許平面透鏡改變其聚焦位置，而無需物理改變光學系統(tǒng)中任何組件的位置。許多光學系統(tǒng)由于運動部件而存在不穩(wěn)定問題;這限制了它們在手持設備或車載自動駕駛汽車等領域的應用。為此，超透鏡可能是一種非常方便的緊湊型解決方案。

表面結構

超透鏡有兩種主要的超表面結構，介電結構或等離子體結構。介電材料用于許多標準光學元件，還可以產生形成超表面的亞波長散射。

如果需要，介電材料用于將相位延遲引入入射光脈沖1現(xiàn)在有一些介電材料可用于創(chuàng)建無像差、衍射受限、偏振無關的聚焦，并在廣泛的帶寬范圍內工作。

在設計超透鏡時，必須考慮表面上散射點的幾何形狀。每個元單元都會影響電磁輻射的特性，必須仔細設計以避免傳統(tǒng)的透鏡問題。

等離子體材料有利于電磁輻射的振幅整形，可用于廣泛的波長區(qū)域。材料中的等離子體模式被明確定義以創(chuàng)建透鏡，但各種修改，例如添加層以過濾掉高階等離子體模式，也有助于提高最終超透鏡的效率。

已經有短波長光刻裝置利用超透鏡可實現(xiàn)的亞衍射極限聚焦來提高儀器的空間分辨率。然而，制造超透鏡以照亮更大區(qū)域并提高許多超透鏡光學器件的效率仍然存在一些挑戰(zhàn)。

超透鏡的未來

超透鏡在單個光學器件中執(zhí)行復雜波前工程的潛力對于一系列應用極具吸引力。

與傳統(tǒng)鏡頭相比，超透鏡是設備小型化、提高光學穩(wěn)定性和實現(xiàn)更好質量對焦的理想選擇。

然而，超透鏡的制造并非易事，因為需要高精度地設計微小結構以在超表面產生所需的行為。

經濟高效地制造超透鏡仍然是一個重大挑戰(zhàn)。對于適合用作超表面的新材料，仍需要進行大量研究。

盡管制造面臨挑戰(zhàn)，但超透鏡在過去幾年中取得了快速進展，并證明它們可用于控制光的所有基本特性。特別是亞波長結構，被譽為有可能為“工程光學2.0”帶來一場新的革命。

為寬帶應用設計多尺度結構是超透鏡需要克服的另一個關鍵挑戰(zhàn)。超透鏡的設計和批量制造是有問題的，因為它需要合并幾種類型的結構。然而，隨著設計原則的出現(xiàn)，新的工具正在出現(xiàn)，這意味著任何依賴集成光學器件的設備都有一個充滿希望的未來。

原文鏈接：https://www.azooptics.com/Article.aspx?ArticleID=2257

參考資料和延伸閱讀：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adom.202001414

https://doi.org/10.1038/s41467-021-25797-9

https://doi.org/10.1038/s41377-018-0078-x

https://doi.org/10.1093/nsr/nwx135

https://doi.org/10.1021/acsphotonics.8b01036