上海大学通信与信息工程学院，特种光纤与光接入网省部共建国家重点实验室培育基地，特种光纤与先进通信国际合作联合实验室，上海 200444
传统的光学透镜存在体积较大、聚焦效率低、焦点半峰全宽较大以及在高数值孔径的透镜中性能表现不佳等问题。而光学超表面凭借其自身的亚波长结构，具有强大的操控光相位的能力。相比于传统透镜，超透镜具有尺寸小、厚度薄以及聚焦性能好等优点。本文提出一种基于目标优先算法的逆向设计方法，设计了一种基于低折射率聚合物材料的超透镜结构。其在传播方向上的厚度仅为3.2 μm，在1550 nm的工作波长下，数值孔径为0.82，聚焦效率为72%。较传统设计方法而言，该方法具有计算复杂度低和设计效率高等优点。设计的器件可采用高精度微纳打印技术实现批量化的快速制造。考虑到超透镜在制备过程中存在制造容差，进一步讨论了超透镜轮廓偏移以及三维旋转操作对所设计的二维超透镜的影响。
超表面 超透镜 逆向设计 目标优先算法 偏振不依赖性
1 中国科学院上海光学精密机械研究所信息光学与光电技术实验室，上海 201800
2 中国科学院大学，北京 100049
光学稀疏孔径技术以其所具有的降低透镜加工面积、增大数值孔径和提升分辨率的能力被应用到超构透镜的设计和优化中。然而，目前稀疏孔径超构透镜的研究仅限于单波长，通常难以应用到宽波段成像领域。笔者基于波前编码和稀疏孔径技术设计了一种消色差稀疏孔径超构透镜。该消色差稀疏孔径超构透镜在加工面积降低至全孔径超构透镜25%的情况下，在可见光波段（400~700 nm）可实现与理想透镜一致的分辨率。该消色差稀疏孔径超构透镜既实现了对可见光波段的消色差，又解决了大孔径超构透镜的加工难题，具有加工成本低、消色差范围大、成像清晰等特点，在图像采集领域具有重要的应用价值。
光学器件 超构透镜 消色差 光学稀疏孔径 波前编码 维纳滤波
1 上海交通大学生物医学工程学院Med-X研究院，上海 200030
2 中国科学院苏州生物医学工程技术研究所，江苏 苏州 215163
超透镜作为一种二维超表面结构最近十多年来得到了广泛的关注。与传统光学透镜相比，超透镜具有超薄和超轻的结构特性以及高度灵活的设计和调控能力，因此，其在推动光学系统向小型化发展中扮演着不可或缺的角色。在显微成像技术中，超透镜又提供了多维度的探索视角，展示了其巨大的发展空间。本文全面回顾了超透镜在显微成像技术的最新进展。首先，详细解释了超透镜的波前调控原理，并总结了超透镜主流的设计方法；其次，介绍了超透镜的加工技术；最后，深入探讨了超透镜在光片荧光显微镜、双光子荧光显微镜和内窥镜等显微成像技术中的应用和研究进展。
超透镜 超表面 显微成像 相位调制 激光与光电子学进展
2024, 61(2): 0211028
浙江大学极端光学技术与仪器全国重点实验室，光电科学与工程学院，先进光子学研究中心，嘉兴研究院智能光子研究中心，浙江大学杭州国际科创中心，浙江 杭州 310027
作为一种二维形式的超构材料，超构表面允许以前所未有的自由度对光的振幅、相位、偏振等维度进行灵活高效的调控，有望突破传统光学的限制，实现低成本、高性能、超轻超薄、功能新颖的新型光学元件，近年来引起了学术界和产业界越来越浓厚的研究兴趣。从物理机理、相位调控到正向设计方法，系统回顾了超构表面的设计原理。介绍了这些机理如何用于实现丰富的应用，包括功能复用、宽带宽、大视场、多层级联、非局域超构表面等，涵盖了最主要和最新的发展方向。最后，讨论了超构表面在走向实用化的道路上所面临的器件设计和加工制造上的挑战，并对领域未来的发展进行展望。
Author Affiliations
Abstract
1 Institute of Modern Optics, Nankai University, Tianjin 300350, China
2 Tianjin Key Laboratory of Micro-scale Optical Information Science and Technology, Tianjin 300350, China
3 Tianjin Key Laboratory of Optoelectronic Sensor and Sensing Network Technology, Tianjin 300350, China
Metalenses are essential components in terahertz imaging systems. However, without careful design, they show limited field of view and their practical applications are hindered. Here, a wide-angle metalens is proposed whose structure is optimized for focusing within the incident angles of . Simulation and experiment results show that the focusing efficiency, spot size, and modulation transfer function of this lens are not sensitive to the incident angle. More importantly, this wide-angle metalens follows the ideal Gaussian formula for the object-image relation, which ensures a wider field of view and better contrast in the imaging experiment.
terahertz metalens wide-angle Gaussian formula Chinese Optics Letters
2024, 22(1): 013701
1 聊城大学 物理科学与信息工程学院， 山东 聊城 252059
2 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 发光学及应用国家重点实验室， 吉林 长春 130033
3 福州大学 机械工程与自动化学院， 福建 福州 350108
超透镜除了可以实现传统透镜的聚焦和成像功能之外，还可通过对超构单元的设计实现对光场偏振、波长和振幅等的多维度操控，由于体积薄、重量轻、成本低、易集成，其在光电子器件领域中开始崭露头角，已经成为当前的研究热点和重要方向。本文采用时域有限差分算法（Finite?difference time?domain，FDTD）设计并优化了基于InGaAs雪崩探测器原位集成的超透镜，同时估算了超透镜的聚焦效率和透射率。仿真结果表明，超透镜将入射光会聚至探测器的光敏区中，透射率达到82.8%，并且在目标焦距150 μm、超透镜半径50 μm时聚焦效率达到 84.89%。为进一步提高透射率，在超透镜表面增加抗反射层（AR Layer）。结果表明，300 nm的SiO2层透射率达到最大值86.6%，250 nm的SiN层透射率达到最大值87.6%，透射率比未增加AR层时分别增加了3.8%和4.8%。最后计算得出集成超透镜的探测器吸收区光场能量比未集成超透镜的探测器吸收区光场能量提升了250.96倍，将极大提升探测器的响应度。本文提出了单片集成超透镜的雪崩探测器设计方案，将雪崩探测器光敏区之外的入射光会聚至光敏区，在不损失带宽前提下提升探测器的量子效率，为高响应度、带宽雪崩探测器的设计提供了新思路。
超透镜 探测器 聚焦效率 量子效率 Metalens detector focusing efficiency quantum efficiency
北京理工大学 光电学院 光电成像技术与系统教育部重点实验室, 北京 100081
超透镜作为一种可在亚波长尺度灵活调控光场的人工微结构, 近年来在光学成像领域受到了广泛关注。在超透镜成像系统设计中, 通常只根据焦距和工作波长设计超透镜, 而不考虑成像过程, 这往往导致整个系统成像质量不佳。为提升成像质量, 文章通过将超透镜参数设计和图像恢复算法两个过程同时纳入成像系统的设计过程, 提出了一种联合优化方法来实现基于超透镜的高分辨率成像。方法不仅对超透镜参数进行了相应的优化以获得比较理想的点扩散函数, 还实现了2倍于输入图片分辨率的高质量图像重建。
超透镜 点扩散函数 图像处理 成像 metalens point diffusion function image processing imaging
1 重庆理工大学两江人工智能学院，重庆 401135
2 国防科技大学理学院物质与材料科学实验中心，湖南 长沙 410073
提出了一种超分辨波长调控变焦超透镜的设计方法，同时对相位、色散、振幅进行调控，在提升超透镜轴向变焦能力的基础上，采用分层粒子群优化（HPSO）算法不断压缩超透镜的点扩散函数，使超透镜的半峰全宽（FWHM）不断逼近甚至小于衍射极限0.5λ/NA（NA为数值孔径）。作为理论验证，设计了一种工作在68~80 μm波长范围内的超分辨波长调控变焦超透镜。仿真结果表明，其轴向变焦能力约为常规衍射超透镜的1.52倍，在73~78 μm波长范围内的横向分辨率小于衍射极限。
光学设计 超透镜 波长调控光学变焦 振幅调控 分层粒子群优化算法 超分辨 光学学报
2023, 43(23): 2322001
1 长春理工大学光电工程学院光电测控与光信息传输技术教育部重点实验室，吉林 长春 130022
2 长春理工大学光电工程学院光电工程国家级教学示范中心，吉林 长春 130022
3 长春理工大学中山研究院，广东 中山 528400
中红外热成像系统是通过探测物体本身的辐射进行成像，不需要外部光源。而传统的中红外热成像系统体积大，不利于小型化。本文基于传输相位理论，采用时域有限差分（FDTD）法，使用FDTD软件计算仿真，探究了不同的单元半径、纳米柱高度及单元周期对相位延迟及透过率的影响，并且针对不同的纳米柱半径，利用传输相位调控实现中红外（3∼5 μm）波长下全介质硅材料的宽带消色差超透镜设计。其数值孔径为0.24，仿真焦距值为147.3 μm，半峰全宽（FWHM）为8.11μm，透镜透过率达到70%。设计的超透镜不仅体积小、质量轻、全波长聚焦效率可达到54%，而且为平面透镜，因此易于光学系统集成，在红外成像、红外夜视仪、红外遥感等技术中展现出广阔的应用前景。
超透镜 中红外波段 平面透镜 消色差 宽带 光学学报
2023, 43(21): 2122002
