01超表面技術(shù)

超表面（Metasurfaces）是一種具有亞波長厚度的平面結(jié)構(gòu)，能夠通過精確設(shè)計的納米結(jié)構(gòu)對光波進行調(diào)控，實現(xiàn)波前調(diào)控、偏振控制、光譜選擇等功能。超表面技術(shù)的核心在于其能夠在極小的體積內(nèi)實現(xiàn)對光的復(fù)雜操控，這為光學成像和光子學器件的小型化和集成化提供了可能。2023年取得的綜合所得收入超過12萬元且匯算需要補稅金額超過400元的。

超表面（Metasurfaces）是一種具有亞波長厚度的平面結(jié)構(gòu)，能夠通過精確設(shè)計的納米結(jié)構(gòu)對光波進行調(diào)控，實現(xiàn)波前調(diào)控、偏振控制、光譜選擇等功能。

超表面技術(shù)的核心在于其能夠在極小的體積內(nèi)實現(xiàn)對光的復(fù)雜操控，這為光學成像和光子學器件的小型化和集成化提供了可能。

雖然，超表面是一些熱門光學應(yīng)用（如激光雷達）的“誘人”材料，但是，迄今為止，超表面的制造仍然涉及昂貴且復(fù)雜的工藝，阻礙了其廣泛應(yīng)用。

02超透鏡

為了更好的了解超透鏡，我們先介紹透鏡的基本原理。

透鏡是一種基礎(chǔ)光學元件，在日常生活中被廣泛應(yīng)用，例如相機、眼鏡、顯微鏡等。傳統(tǒng)透鏡對于不同波長的光線具有不同的折射率，因此無法將各種顏色的光線聚焦到同一點上，從而產(chǎn)生色差，導致圖像失真。

將整個可見光譜和白光聚焦是十分具有挑戰(zhàn)性的，因為不同波長的光在材料中移動的速度是不一樣的。比如，紅光會比藍光更快的穿過玻璃。當兩種光在不同時間到達同一位置時，就產(chǎn)生了兩個不同的焦點。我們稱這一現(xiàn)象為色差。

為了解決色差的問題，傳統(tǒng)的成像系統(tǒng)將多個不同厚度和材質(zhì)的曲面透鏡疊加在一起。再薄、再緊湊則會導致圖像失真和不清晰，這也是為什么大功率顯微鏡和長焦鏡頭會由于透鏡不可打破的物理規(guī)則，廠商們已經(jīng)把鏡頭做的那么大的原因。但是，這種解決方案卻是以增加系統(tǒng)復(fù)雜度和重量為代價的。

然而，一種新型透鏡可以解決上述問題，這就是超構(gòu)透鏡metalens。超構(gòu)透鏡具有納米結(jié)構(gòu)的扁平表面，即超構(gòu)表面metasurface，能利用納米結(jié)構(gòu)聚光讓入射光投射到期望的地方。

超構(gòu)透鏡輕薄小巧，功能大大超越傳統(tǒng)透鏡，是一種利用納米結(jié)構(gòu)聚光進而達到避免色差出現(xiàn)的平面，即超構(gòu)表面。與傳統(tǒng)透鏡相比，被稱為超構(gòu)表面的光學納米材料平面透鏡重量大大降低。當超構(gòu)表面的亞波長納米結(jié)構(gòu)形成特定的重復(fù)模式時能模擬折射光線的復(fù)雜曲率，沒有傳統(tǒng)透鏡笨重，且在減少畸變的情況下聚焦光線的能力得以改善。

作為光學領(lǐng)域的一項革命性技術(shù)，它有望徹底顛覆傳統(tǒng)光學系統(tǒng)中繁瑣的透鏡組，使得手機、相機、監(jiān)控攝像頭等產(chǎn)品都變得更小、更薄、更輕。

超構(gòu)表面作為一種獨特的光子技術(shù)能夠以空前的規(guī)模精確操縱光的波陣面從而產(chǎn)生許多有趣而奇特的光學現(xiàn)象，激發(fā)了研究人員在平面光學領(lǐng)域的廣泛研究興趣。

通過光與納米尺度排列的偏原子的局部相互作用，提供對穿過結(jié)構(gòu)化平面的波前的相位，幅度和偏振態(tài)的控制。利用當前的制造技術(shù)，可以對相位，幅度和偏振態(tài)進行工程設(shè)計，從而可以對散射場進行局部控制，并模制光流以創(chuàng)建自然材料無法比擬的光學效果。與傳統(tǒng)的折射光學元件相比，這項技術(shù)已顯示出有望實現(xiàn)形式-功能關(guān)系的根本改變。

500多年來，人類已經(jīng)掌握了將玻璃做成透鏡使光線發(fā)生折射，然后彎曲或組合這些透鏡，使近距離和遠距離圖像放大以及變清晰的光學成像技術(shù)。然而在過去近十年的時間內(nèi)，哈佛大學的科學家Federico Capasso開創(chuàng)了平面光學研究領(lǐng)域，并在2014年首先發(fā)表了關(guān)于超構(gòu)透鏡的研究。

緊接著，Capasso在2016帶領(lǐng)研究團隊提出了超構(gòu)透鏡技術(shù)，這種表面覆蓋納米柱的新型透鏡的厚度能夠做到比普通鏡片薄10萬倍，并且擁有易生產(chǎn)、成本低等優(yōu)勢。

研究團隊通過設(shè)計平面光學超構(gòu)表面來取代傳統(tǒng)透鏡，并利用數(shù)百萬個細微的、薄而透明的石英柱陣列來衍射和塑造光線的流動。這與玻璃透鏡的方式大致相同，但卻不像玻璃那樣與生俱來地受"像差"的制約。

超構(gòu)透鏡使用納米結(jié)構(gòu)聚焦光的平坦表面，通過用簡單，平坦的表面來取代目前在光學器件中廣泛使用的龐大的彎曲透鏡實現(xiàn)光學革命。該技術(shù)在被評為2016年Science的最佳發(fā)現(xiàn)之一。

這項技術(shù)先后在2019年被世界經(jīng)濟論壇（WEF）、科學美國人（SciAm）評為十大新興技術(shù)之一。

從顯微鏡、數(shù)碼相機、高帶寬纖維光學到激光干涉引力波天文臺（LIGO）的實驗室設(shè)備，透鏡技術(shù)在各個尺度均取得了重要進展。

它表明這些越來越小、越來越清晰的透鏡很快就會出現(xiàn)在照相手機、傳感器、光纖線路以及諸如內(nèi)窺鏡之類的醫(yī)學成像設(shè)備中。世界經(jīng)濟論壇如此評價：“使手機、計算機以及其他電子設(shè)備使用的鏡頭變小，已超出了傳統(tǒng)的玻璃切割和玻璃彎曲技術(shù)的能力……這些細微、薄而扁平的透鏡可以代替現(xiàn)有的笨重的玻璃透鏡，并可以使傳感器和醫(yī)學成像設(shè)備進一步小型化?！?/p>

03玻璃超透鏡

2016年哈佛大學Capasso研究團隊開發(fā)了一種高效、超?。s一個波長）、超高分辨率的超構(gòu)表面透鏡，可以將可見光匯聚到亞波長尺寸的光斑。

該項重大突破性工作以“Metalenses at visible wavelengths: Diffraction-limited focusing and subwavelength resolution imaging”為題并以封面的形式發(fā)表在Science上。這種超構(gòu)表面透鏡，有望取代手機、顯微鏡、照相機等鏡頭。

超構(gòu)透鏡可以分辨被亞波長距離分隔的納米級特征，并提供高達170倍的放大倍率，其圖像質(zhì)量可與最先進的商業(yè)目標相媲美，此外超構(gòu)透鏡還可以廣泛應(yīng)用于基于激光的顯微鏡、成像和光譜學。

同年，該技術(shù)被science評為2016年度十大重大科技突破之一。并被這樣評論道：“玻璃透鏡是人類最早期的高科技發(fā)明之一。它們讓伽利略能夠看得到木星的衛(wèi)星，讓列文虎克觀察微生物，讓數(shù)以百萬計的人可以更清楚地看這個世界。但今天的透鏡還在以與幾個世紀之前同樣的粗糙方式在生產(chǎn)，通過打磨和拋光玻璃以及其他透明材料使其聚光且不產(chǎn)生色差。

如今，透鏡技術(shù)正在向前邁進一大步。研究人員利用計算機芯片—模式技術(shù)制作了首批超級材料透鏡或超構(gòu)透鏡，它們能夠聚焦整個可見光光譜。因為超構(gòu)透鏡制造價格低廉，比紙更薄，而且比玻璃輕得多，它們將為從顯微鏡到虛擬設(shè)備、相機（包括智能手機的相機鏡頭）等領(lǐng)域帶來一場革命。”