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(jì)的納米結(jié)構(gòu)對(duì)光波進(jìn)行調(diào)控，實(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)光的復(fù)雜操控，這為光學(xué)成像和光子學(xué)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(bǔ)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(jì)的納米結(jié)構(gòu)對(duì)光波進(jìn)行調(diào)控，實(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)光的復(fù)雜操控，這為光學(xué)成像和光子學(xué)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(xué)應(yīng)用（如激光雷達(dá)）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(xué)元件，在日常生活中被廣泛應(yīng)用，例如相機(jī)、眼鏡、顯微鏡等。傳統(tǒng)透鏡對(duì)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(diǎn)上，從而產(chǎn)生色差，導(dǎo)致圖像失真。

將整個(gè)可見光譜和白光聚焦是十分具有挑戰(zhàn)性的，因?yàn)椴煌ㄩL的光在材料中移動(dòng)的速度是不一樣的。比如，紅光會(huì)比藍(lán)光更快的穿過玻璃。當(dāng)兩種光在不同時(shí)間到達(dá)同一位置時(shí)，就產(chǎn)生了兩個(gè)不同的焦點(diǎn)。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(gè)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(huì)導(dǎo)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(huì)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(jià)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(jìn)而達(dá)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(xué)納米材料平面透鏡重量大大降低。當(dāng)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(shí)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(xué)領(lǐng)域的一項(xiàng)革命性技術(shù)，它有望徹底顛覆傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)中繁瑣的透鏡組，使得手機(jī)、相機(jī)、監(jiān)控?cái)z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(dú)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(xué)現(xiàn)象，激發(fā)了研究人員在平面光學(xué)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(duì)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(dāng)前的制造技術(shù)，可以對(duì)相位，幅度和偏振態(tài)進(jìn)行工程設(shè)計(jì)，從而可以對(duì)散射場進(jìn)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(xué)效果。與傳統(tǒng)的折射光學(xué)元件相比，這項(xiàng)技術(shù)已顯示出有望實(shí)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(yuǎn)距離圖像放大以及變清晰的光學(xué)成像技術(shù)。然而在過去近十年的時(shí)間內(nèi)，哈佛大學(xué)的科學(xué)家Federico Capasso開創(chuàng)了平面光學(xué)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(tuán)隊(duì)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(shì)。

研究團(tuán)隊(duì)通過設(shè)計(jì)平面光學(xué)超構(gòu)表面來取代傳統(tǒng)透鏡，并利用數(shù)百萬個(gè)細(xì)微的、薄而透明的石英柱陣列來衍射和塑造光線的流動(dòng)。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(xué)器件中廣泛使用的龐大的彎曲透鏡實(shí)現(xiàn)光學(xué)革命。該技術(shù)在被評(píng)為2016年Science的最佳發(fā)現(xiàn)之一。

這項(xiàng)技術(shù)先后在2019年被世界經(jīng)濟(jì)論壇（WEF）、科學(xué)美國人（SciAm）評(píng)為十大新興技術(shù)之一。

從顯微鏡、數(shù)碼相機(jī)、高帶寬纖維光學(xué)到激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，透鏡技術(shù)在各個(gè)尺度均取得了重要進(jìn)展。

它表明這些越來越小、越來越清晰的透鏡很快就會(huì)出現(xiàn)在照相手機(jī)、傳感器、光纖線路以及諸如內(nèi)窺鏡之類的醫(yī)學(xué)成像設(shè)備中。世界經(jīng)濟(jì)論壇如此評(píng)價(jià)：“使手機(jī)、計(jì)算機(jī)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(xì)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(xué)成像設(shè)備進(jìn)一步小型化。”

03玻璃超透鏡

2016年哈佛大學(xué)Capasso研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種高效、超?。s一個(gè)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(xiàng)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(jī)、顯微鏡、照相機(jī)等鏡頭。

超構(gòu)透鏡可以分辨被亞波長距離分隔的納米級(jí)特征，并提供高達(dá)170倍的放大倍率，其圖像質(zhì)量可與最先進(jìn)的商業(yè)目標(biāo)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(xué)。

同年，該技術(shù)被science評(píng)為2016年度十大重大科技突破之一。并被這樣評(píng)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(jì)的人可以更清楚地看這個(gè)世界。但今天的透鏡還在以與幾個(gè)世紀(jì)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(jìn)一大步。研究人員利用計(jì)算機(jī)芯片—模式技術(shù)制作了首批超級(jí)材料透鏡或超構(gòu)透鏡，它們能夠聚焦整個(gè)可見光光譜。因?yàn)槌瑯?gòu)透鏡制造價(jià)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(jī)（包括智能手機(jī)的相機(jī)鏡頭）等領(lǐng)域帶來一場革命。”