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

光學超表面研究背景

幾十年來，物理學家和工程師一直對光學超材料著迷不已。雖然理論討論始于 20 世紀 40 年代，但在納米技術和半導體制造技術進步的推動下，過去 20~30 年才取得了重大的實驗進展。

早期的理論側重于三維體納米結構材料，但實際工作很快轉向二維納米結構光學元件，即所謂的光學超表面。這些二維超表面實現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。

光學超表面是如何工作的?

光學超表面是由以二維或準二維模式排列的光散射電介質或金屬納米結構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雜的平臺。

與依靠光的折射和傳播的傳統光學不同，光學超表面通過納米結構的散射來操縱光。這些納米結構與進入的光線產生共振，并以可控的相位、偏振和光譜特性重新發射光線，從而實現對光波的精確塑造。

這種控制水平可增強光譜選擇性、波前和偏振控制，并改進光輻射和檢測。

與傳統光學元件相比的優勢

光學超表面的主要優勢是能夠在薄的平面幾何結構內實現復雜的光學功能。這為定制光學響應提供了極大的靈活性，可實現傳統光學元件難以實現或無法實現的功能。

光學超表面可在單層內同時實現多種光學功能，從而減少了對眾多分立元件的需求，使系統更加高效和緊湊。它們可以在從可見光到紅外線的各種波長范圍內工作，從而提高了各種應用的通用性。

成像領域的應用

先進成像技術中的超分辨率

光學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。它們可以克服衍射極限，在光學相干斷層掃描(OCT)和雙光子顯微鏡等系統中實現超分辨率成像。

在等離子體結構照明顯微鏡(PSIM)中，與傳統方法相比，具有周期性狹縫排列的光學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現了 0.5 的高數值孔徑(NA)，可用于緊湊型高分辨率成像。

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

多色全息圖

光學超表面還能促進鬼影和復雜光場成像等高級應用，從而增強計算成像能力。此外，研究人員通過將復雜的相位分布編碼到單個光學超表面層上，開發出了高效的多色全息圖，在色差校正的情況下實現了超過 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，光學超表面可實現先進的偏振和超光譜成像。它們無需傳統的濾光片即可提供高效的偏振分析，從而增強了測量和分析偏振狀態的能力。

超光譜成像還得益于光學元表面，它支持高質量的因子共振，可對分子變化進行超靈敏檢測，從而實現詳細的光譜分析并增強生物傳感能力。

傳感應用

光學超表面的獨特性能也使其在生物傳感、氣體傳感和化學傳感領域得到廣泛應用。與傳統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備中。

用于病毒診斷的 SPR 傳感器

光學超表面的一個關鍵應用是將其用于增強生物標記物檢測的傳統等離子體傳感器，從而顯著提高疾病診斷的準確性。

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。

空氣質量監測

傳統的氣體傳感器反應時間慢、對環境變化敏感，與之不同的是，基于光學超表面的傳感器可利用金屬-絕緣體-金屬(MIM)結構中的等離子效應，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時間，使這些傳感器成為廣泛傳感器網絡的理想選擇。它們可提供城市、工業和自然環境中空氣質量和溫室氣體的實時、高分辨率數據。

無損實時化學監測

基于光學超材料的傳感器集成了微流控通道和雙分裂環諧振器，能夠對液體或氣體環境中的多種化學物質濃度進行實時、無標記監測。它們能夠根據特定的化學特征調整光學響應，因此在環境監測、食品安全檢測和工業過程控制方面具有很高的價值。

最新進展和新興趨勢

光學超表面領域發展迅速，最近取得的突破極大地增強了成像和傳感應用。

單次偏振成像

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

這一創新系統采用更簡單的設計，只需一步就能捕捉和分析偏振光，取代了依賴多個旋轉板和偏振片的傳統復雜裝置。

所提出的方法消除了移動部件，從而簡化了設計。它具有實時應用的潛力，如活體組織顯微鏡、偏振內窺鏡、視網膜掃描和無創癌癥成像。

用于自適應傳感系統的可重構超表面

開發可在不同光學功能之間動態切換的可重構光學超表面已成為一種日益增長的趨勢。

在最近發表于《自然·通訊》的一項研究中，研究人員設計了一種靈活的傳感器，可在高對比度邊緣檢測和詳細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現的，這種特性會隨著溫度的變化而改變超表面的光學特性。

這種可重構性為自適應成像和傳感系統(包括遠程作物監測和定量相顯微鏡)提供了新的可能性，使其能夠根據環境條件或用戶需求調整功能。

未來展望

光學超表面極大地推動了成像和傳感技術的發展，在超薄、緊湊的結構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檢測等應用領域都具備了新的能力和增強功能。

隨著制造技術的不斷進步，基于超表面的設備必將改變各行各業，包括消費電子、醫療設備和科學研究。

審核編輯 黃宇