Opto-Electronic EngineeringReview光电工程2021年，第48卷，第12期D0:10.12086/oee.2021.210399光学超分辨平面超构透镜研究进展周毅1,2*，梁高峰1,2，温中泉1,2，张智海1,2，尚正国1,2，陈刚1,21重庆大学光电工程学院，重庆400044；2重庆大学光电技术及系统教有部重点实验室，重庆400044摘要：从光学自身机理上突破光学理论分辩率极限，实现远场超分辨光学点扩数函数，进而实现超分辩聚焦和超分辨成像，在激光加工、超分辨光学显微和超分辨望远等系统有着重要应用前景。近年来，光学超构表面的发展使得在亚波长尺度上实现光场振幅、相位及偏振的独立调控成为可能，为研制新型的超分辩平面超构透镜提供了更加灵活的手段。本文介绍了基于光学超构表面的超分辨平面超构透镜、相关测试技术方面儿年来的研究进展，并讨论了该领城面临的问题和未来的研究重点和方向。中图分类号：0436.3文献标志码：A周毅，梁高峰，温中泉，等.光学超分辨平面超构透镜研究进展U.光电工程，2021,48(12)：210399Zhou Y,Liang G F.Wen Z Q,et al.Recent research progress in optical super-resolution planar meta-lenses[J].Opto-ElectronEng,2021,48(12:210399Recent research progress in opticalsuper-resolution planar meta-lensesZhou Yi1.2",Liang Gaofeng1.2,Wen Zhongquan1.2,Zhang Zhihai1.2,Shang Zhengguo1.2,Chen Gang1.2Key Laboratory of Optoelectronic Technology and Systems Ministry of Education,Chongqing University,Chongqing 400044.ChinaAbstract:Breaking through the theoretical resolution limit on the optical mechanism and realizing super-resolutionoptical point-spread-function is important in achieving super-resolution focusing and imaging,which have great po-tential applications in laser processing.super-resolution microscopy,and telescope systems.In recent years,withthe development of optical metasurfaces,it is capable to achieve independent control of the amplitude,phase,andpolarization of the optical fields on the sub-wavelength scale,which in turn provides a more flexible means for thedevelopment of a new type of super-resolution planar super-lens.This article reviews the recent research progressof super-resolution planar meta-lenses based on the optical metasurfaces and related testing techniques.It alsodiscusses the problems faced in this field and future research priorities and directions.Keywords:optical super-resolution;super-oscillation;planar lens;metasurface收稿日期：2021-11-18：收到修改稿日期：2021-12-09基金项目：国家自然科学基金资助项目(61927818.61575031)：国家重点基础研究发展计划资助项目(2013CBA01700)作者简介：周毅(1991-)，男，博士，主要从事超分辨光学显微成像技术和光学相干断层成像技术(OC刀的研究。E-mail:yi_zhou@cqu.edu.cn版权所有©2021中国科学院光电技术研究所210399-1万方数据光电工程2021,48(12)：210399https:ldol.org/10.12086/oee.2021.2103991引言过选择适当的复振幅，F(x)的局部振荡（实线）可远快于最高频率谐波（虚线），如图1所示。原则上超振荡场由于衍射效应限制，传统光学系统无法突破分辨的分辨率没有理论极限)，这为突破衍射极限的远场率理论极限0.5/NAQ为波长，NA为数值孔径)。超超分辨聚焦/成像提供了崭新的途径。分辨光学成像技术的突破将引领光学显微、光学遥感、深亚波长光刻、超高密度数据存储等军民相关领域的F(x)=(1)技术革命，具有重大的科学意义和应用价值。如何突破衍射极限制约，实现超分辨光学成像已成为光学领亚波长光场调控域的重要研究课题。近年来，已发展出了多种超分光场调控通常是指对光波电矢量的振幅、相位和辨光学显微技术。受激发射损耗荧光显微技术)，可偏振等进行调控。早期的超分辨透镜通常采用简单的实现1nm的单荧光分子定位精度，其不足是需要荧二值振幅和二值相位调控方式对入射光场进行调控，光标记和图像重建；基于结构光照明的超分辨显微技以实现出射光场特定的相干叠加，形成超振荡光场。术可实现5空间分辨率4，然而其需要附加特殊光照这种调控方式比较简单，对于器件加工也相对容易，明和图像重建；近场光学显微技术通过检测样品表然而这极大地降低了器件对光场的调控能力，进而制面倏逝波，实现超分辨率光学成像；基于表面等离子约了超分辨透镜的性能（如效率、旁瓣抑制等）1。近激元的近场聚焦透镜可实现22nm空间分辨率(，但年来，光学超构表面的发展，为在亚波长尺度对光场近场成像仅局限于样品表面；负折射率超构透镜已有的振幅、相位及偏振调控提供了有效的手段。相实验验证，但其加工难、光损耗大，无法实现远场成对于金属超构表面，全介质超构表面其有振幅透射率像~。如何实现无需图像后续处理的无标记远场超分高等特点21四，这对于聚焦效率本身相对较低的超分辨光学成像是光学研究领域的重大挑战，亟待开展基辨透镜极其重要。对于全介质超构表面，通常折射率于新原理、新结构、突破衍射极限的远场成像器件相越大，其效率就会越高，同时高折射率材料还有利于关基础理论和关键技术研究。基于亚波长结构波前调降低超构表面器件的加工深宽比，降低加工难度。因控的新型远场微透镜已有报道，但其设计仍基于传统此，针对不同的光学波段，通常采用折射率大、消光透镜相位分布和光线汇聚原理，无法突破衍射极系数小的介质作为超构表面的结构材料。例如在550限。光学超振荡是一种利用空间频率较低的平面波，nm以下的短波长，可以选用TiO,,其折射率可达实现局域空间快速振荡的特殊光学现象回。以式(1)为到2.5；而在550nm以上的光波段，可以采用a-Si24,例，函数F(x)由Nm个谐波叠加而成，第n个谐波的其折射率高达3.0；而在红外波段和太赫兹波段，可以频率为%、复振幅为au,最高谐波频率为Nmr。通选择S2-网，其折射率达到了3.4。对于相位调控最常1.00.5超振荡函数-0.020.02图1超振荡函数示意图。一个采用Nmr个谐波构建的超振荡函数，在空间局部位置其空间变化远远高于最高次谐波冈Fig.1 The schematic diagram of the super-oscillation function.The super-oscillation function,which is construcled by proper210399-2万方数据光电工程2021,48(12)：210399https:ldol.org/10.12086/oee.2021.210399使用的是几何相位超构表面，其本质上是一个亚波长3.1消色差超分辨平面超构透镜尺度的半波片，基本形貌可以是立方形或是椭圆柱形。超构表面透镜作为一种衍射光学器件，与其它衍通过优化其长、宽和高，可以使光波在沿长和宽两个射透镜一样，其自身也存在者严重的色差。尽管这类偏振方向的相位差为π，同时使两种偏振的振幅透射透镜能够工作在较宽的光学波段，然而色差的存在严率一致，进而形成一个亚波长尺度的半波片超构表面重制约了其在光学聚焦和成像当中的应用。特别是对单元结构。当人射光波为圆偏振光时，出射光场通常于光学超分辨平面超构透镜，如何在实现超分辨点光包含与入射圆偏振正交的交叉圆偏振态及与入射光波学扩散的同时，消除平面超构透镜的色差还面临着诸相同的圆偏振态。当半波片超构表面单元结构的性能多挑战。越接近理想半波片时，未被调制的入射光含量越小，3.11多波长消色差超分辨平面粗构透镜在理想情况下出射光场只包含交叉圆偏振光场。当旋类似于传统的消色差透镜，在若干个离散分布的转几何相位超构表面单元结构时，出射的交叉圆偏振波长上实现色差的矫正，相对而言比较容易实现。因态的附加相位是旋转角度的两倍。利用这一特性，可此，早期报道的消色差超分辨平面超构透镜大多针对实现对人射圆偏振光0-2π的连续相位调控。全介质多个波长进行色差矫正。超构表面，不但能够控制出射光场的相位，而且可以2017年，新加坡南洋理工大学和英国南安普顿大用于偏振态的控制刘。在线偏振光入射条件下，可学联合公开报道了一种三色消色差超分辨平面超构透以利用半波片的性质，通过旋转半波片超构表面单元镜似，该透镜设计基于二值振幅调控，透镜半径为20结构，使得出射线偏振射光的偏振方向发生旋转，从m,焦距为10μm,对应的数值孔径和衍射极限分别而在亚波长尺度下，实现空间局部任意偏振方向的控为NA=0.894和FWHMDL=0.5591(0.5/NA)。针对每个制，由此用于矢量光场（角向偏振和径向偏振等）的产波长满足的光场分布目标函数，通过多目标粒子群优生。除了半波片外，类似地，还可以构建具有四分之化算法进行多波长消色差优化设计。利用金属环带一波片性能的超构表面，在圆偏振光入射条件下，结构（金属环带振幅透射率为0，无金属的环带透射率可以通过旋转四分之一波片实现出射线偏振方向的控为1)，实现对入射光场二值振幅调控。实验表明，在制。进一步，可以通过优化设计多个具有不同初始相可见光波段实现了λ=405nm、G=532nm和λ=633位的四分之一波片或二分之一波片，让其初始相位涵m三个波长的消色差超分辨聚焦。在共同的焦距位盖0-2π范围，则可以实现相位和偏振两者的同时独置处，均形成了横向尺寸小于传统光学衍射极限的超立调控。未来超构表面将进一步向多维度光场操控分辨聚焦光场。其三个波长焦斑尺寸分别为0.457入R、发展。0.445G和0.541o与传统消色差透镜不同，除了在焦平面位置存在明显的聚焦光斑外，该透镜在光轴上其3标量超分辨平面超构透镜他位置也存在明显的焦斑。这是因为在其优化设计中常见标量光场包括线偏振光场、圆偏振光场和椭并未能对轴向光场分布进行约束。该文献还报道了近圆偏振光场，在这类光场聚焦形成焦斑中心位置，偏红外波段的2波长消色差超分辨平面透镜。利用该方振方向通常与入射偏振态相同。而在偏离中心的位置，法，还可以实现4个波长的多波长消色差超分辨平面通常包含有与传播方向一致的纵向偏振分量。当透镜超构透镜设计。由于仅仅采用二值振幅进行超分辨平数值孔径较小时，通常这种纵向偏振分量较小而可以面透镜设计，其设计自由度低，极大地限制了多波长忽略。当透镜数值孔径较大时，这一分量的存在将会消色差性能，同时也会降低超分辨聚焦的效率。导致整体聚焦光斑光场尺寸的扩大。然而，在很多实采用几何相位超构表面，通过旋转可以实现对交际应用场合，例如光学显微、望远系统，由于放大导叉正交圆偏振光场0~2π的连续相位调控。几何相位致的光杠杆效应，这一分量不会出现在系统最终形与入射波长无关，常应用于宽带平面超构透镜设计。成的成像光场内。因此，在研究标量超分辨平面超构2019年湖南大学报道了一种基于几何相位超构表面透镜的时候，通常只考虑聚焦光场中的横向偏振分量。的多波长消色差超分辨平面超构透镜理论设计和仿真普通的标量超分辨平面超构透镜已有大量报道35，结果4。透镜半径为10m,焦距为10μm,对应的数以下我们仅重点针对标量超分辨平面超构透镜色差和轴外像差矫正进行介绍。0.707λ。针对473nm、532nm和632.8nm等3个波长，210399-3万方数据