光學(xué)超表面已成為解決笨重光學(xué)元件所帶來的限制的有前途的解決方案。與傳統(tǒng)的折射和傳播技術(shù)相比，它們提供了一種緊湊、高效的光操縱方法，可對相位、偏振和發(fā)射進(jìn)行先進(jìn)的控制。本文概述了光學(xué)超表面、它們在成像和傳感技術(shù)中的各種應(yīng)用以及這些領(lǐng)域的最新進(jìn)展。

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光學(xué)超表面研究背景

幾十年來，物理學(xué)家和工程師一直對光學(xué)超材料著迷不已。雖然理論討論始于 20 世紀(jì) 40 年代，但在納米技術(shù)和半導(dǎo)體制造技術(shù)進(jìn)步的推動下，過去 20~30 年才取得了重大的實(shí)驗(yàn)進(jìn)展。

早期的理論側(cè)重于三維體納米結(jié)構(gòu)材料，但實(shí)際工作很快轉(zhuǎn)向二維納米結(jié)構(gòu)光學(xué)元件，即所謂的光學(xué)超表面。這些二維超表面實(shí)現(xiàn)了相位和振幅的快速納米級變化，提供了前所未有的光控制能力，從而徹底改變了對光的操縱1。

光學(xué)超表面是如何工作的？

光學(xué)超表面是由以二維或準(zhǔn)二維模式排列的光散射電介質(zhì)或金屬納米結(jié)構(gòu)組成的人工工程材料。這些表面為高精度控制光的偏振、相位和振幅提供了一個緊湊而復(fù)雜的平臺。

與依靠光的折射和傳播的傳統(tǒng)光學(xué)不同，光學(xué)超表面通過納米結(jié)構(gòu)的散射來操縱光。這些納米結(jié)構(gòu)與進(jìn)入的光線產(chǎn)生共振，并以可控的相位、偏振和光譜特性重新發(fā)射光線，從而實(shí)現(xiàn)對光波的精確塑造。

這種控制水平可增強(qiáng)光譜選擇性、波前和偏振控制，并改進(jìn)光輻射和檢測。

與傳統(tǒng)光學(xué)元件相比的優(yōu)勢

光學(xué)超表面的主要優(yōu)勢是能夠在薄的平面幾何結(jié)構(gòu)內(nèi)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的光學(xué)功能。這為定制光學(xué)響應(yīng)提供了極大的靈活性，可實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)光學(xué)元件難以實(shí)現(xiàn)或無法實(shí)現(xiàn)的功能。

光學(xué)超表面可在單層內(nèi)同時實(shí)現(xiàn)多種光學(xué)功能，從而減少了對眾多分立元件的需求，使系統(tǒng)更加高效和緊湊。它們可以在從可見光到紅外線的各種波長范圍內(nèi)工作，從而提高了各種應(yīng)用的通用性。

成像領(lǐng)域的應(yīng)用

先進(jìn)成像技術(shù)中的超分辨率

光學(xué)超表面通過提供更高的分辨率和小型化，正在改變成像技術(shù)。它們可以克服衍射極限，在光學(xué)相干斷層掃描（OCT）和雙光子顯微鏡等系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)超分辨率成像。

在等離子體結(jié)構(gòu)照明顯微鏡（PSIM）中，與傳統(tǒng)方法相比，具有周期性狹縫排列的光學(xué)超表面可將分辨率提高 2.6 倍。

雙光子顯微鏡也得益于超表面，薄型雙波長超表面物鏡實(shí)現(xiàn)了 0.5 的高數(shù)值孔徑（NA），可用于緊湊型高分辨率成像。

同樣，在 OCT 中，光學(xué)超表面提高了成像分辨率，并將焦深（DOF）擴(kuò)展到 211 μm 和 315 μm，性能優(yōu)于傳統(tǒng)透鏡，同時縮小了元件尺寸。

多色全息圖

光學(xué)超表面還能促進(jìn)鬼影和復(fù)雜光場成像等高級應(yīng)用，從而增強(qiáng)計算成像能力。此外，研究人員通過將復(fù)雜的相位分布編碼到單個光學(xué)超表面層上，開發(fā)出了高效的多色全息圖，在色差校正的情況下實(shí)現(xiàn)了超過 90% 的彩色成像分辨率。

高分辨率偏振和高光譜成像

在功能成像中，光學(xué)超表面可實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的偏振和超光譜成像。它們無需傳統(tǒng)的濾光片即可提供高效的偏振分析，從而增強(qiáng)了測量和分析偏振狀態(tài)的能力。

超光譜成像還得益于光學(xué)元表面，它支持高質(zhì)量的因子共振，可對分子變化進(jìn)行超靈敏檢測，從而實(shí)現(xiàn)詳細(xì)的光譜分析并增強(qiáng)生物傳感能力。

傳感應(yīng)用

光學(xué)超表面的獨(dú)特性能也使其在生物傳感、氣體傳感和化學(xué)傳感領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。與傳統(tǒng)的等離子體傳感器相比，這些基于超表面的傳感器具有更高的靈敏度、選擇性和檢測限，還有利于微型化和集成到便攜式設(shè)備中。

用于病毒診斷的 SPR 傳感器

光學(xué)超表面的一個關(guān)鍵應(yīng)用是將其用于增強(qiáng)生物標(biāo)記物檢測的傳統(tǒng)等離子體傳感器，從而顯著提高疾病診斷的準(zhǔn)確性。

最近的研究表明，將超表面集成到表面等離子體共振（SPR）傳感器中可大大提高靈敏度和檢測限。這些先進(jìn)的 SPR 傳感器已成功檢測出乙型肝炎、寨卡病毒和 SARS-CoV-2 等病毒，證明了基于超表面的生物傳感器在快速精確診斷疾病方面的潛力。

空氣質(zhì)量監(jiān)測

傳統(tǒng)的氣體傳感器反應(yīng)時間慢、對環(huán)境變化敏感，與之不同的是，基于光學(xué)超表面的傳感器可利用金屬-絕緣體-金屬（MIM）結(jié)構(gòu)中的等離子效應(yīng)，提供快速、高靈敏度的檢測。

例如，超材料完美吸收體（MPA）傳感器由于增強(qiáng)了分析物之間的相互作用，對二氧化碳和丁烷等氣體的靈敏度達(dá)到 22.4 ± 0.5 ppm·Hz^-0.5。

這種出色的靈敏度，加上其小巧的體積和快速的響應(yīng)時間，使這些傳感器成為廣泛傳感器網(wǎng)絡(luò)的理想選擇。它們可提供城市、工業(yè)和自然環(huán)境中空氣質(zhì)量和溫室氣體的實(shí)時、高分辨率數(shù)據(jù)。

無損實(shí)時化學(xué)監(jiān)測

基于光學(xué)超材料的傳感器集成了微流控通道和雙分裂環(huán)諧振器，能夠?qū)σ后w或氣體環(huán)境中的多種化學(xué)物質(zhì)濃度進(jìn)行實(shí)時、無標(biāo)記監(jiān)測。它們能夠根據(jù)特定的化學(xué)特征調(diào)整光學(xué)響應(yīng)，因此在環(huán)境監(jiān)測、食品安全檢測和工業(yè)過程控制方面具有很高的價值。

最新進(jìn)展和新興趨勢

光學(xué)超表面領(lǐng)域發(fā)展迅速，最近取得的突破極大地增強(qiáng)了成像和傳感應(yīng)用。

單次偏振成像

哈佛大學(xué)的研究人員最近利用穆勒矩陣成像技術(shù)和納米工程光學(xué)超表面，開發(fā)出一種緊湊型單次偏振成像系統(tǒng)。相關(guān)成果發(fā)表在《自然·光子學(xué)》（Nature Photonics）上。

這一創(chuàng)新系統(tǒng)采用更簡單的設(shè)計，只需一步就能捕捉和分析偏振光，取代了依賴多個旋轉(zhuǎn)板和偏振片的傳統(tǒng)復(fù)雜裝置。

所提出的方法消除了移動部件，從而簡化了設(shè)計。它具有實(shí)時應(yīng)用的潛力，如活體組織顯微鏡、偏振內(nèi)窺鏡、視網(wǎng)膜掃描和無創(chuàng)癌癥成像。

用于自適應(yīng)傳感系統(tǒng)的可重構(gòu)超表面

開發(fā)可在不同光學(xué)功能之間動態(tài)切換的可重構(gòu)光學(xué)超表面已成為一種日益增長的趨勢。

在最近發(fā)表于《自然·通訊》的一項(xiàng)研究中，研究人員設(shè)計了一種靈活的傳感器，可在高對比度邊緣檢測和詳細(xì)紅外成像之間快速切換。

這是通過利用二氧化釩的相變特性實(shí)現(xiàn)的，這種特性會隨著溫度的變化而改變超表面的光學(xué)特性。

這種可重構(gòu)性為自適應(yīng)成像和傳感系統(tǒng)（包括遠(yuǎn)程作物監(jiān)測和定量相顯微鏡）提供了新的可能性，使其能夠根據(jù)環(huán)境條件或用戶需求調(diào)整功能。

未來展望

光學(xué)超表面極大地推動了成像和傳感技術(shù)的發(fā)展，在超薄、緊湊的結(jié)構(gòu)中提供了前所未有的光操控控制。這使得從超分辨率顯微鏡到高靈敏度化學(xué)檢測等應(yīng)用領(lǐng)域都具備了新的能力和增強(qiáng)功能。

隨著制造技術(shù)的不斷進(jìn)步，基于超表面的設(shè)備必將改變各行各業(yè)，包括消費(fèi)電子、醫(yī)療設(shè)備和科學(xué)研究。

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