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 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
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
北京信息科技大学仪器科学与光电工程学院，北京 100192
超透镜是一种近年来新兴的基于超材料的先进平面光学装置，可以高自由度设计入射光的振幅、相位和偏振度以满足应用要求。超透镜可以通过不同的结构设计实现多种功能，例如达到衍射极限的聚焦、像差消除等。本文总结了超透镜的发展过程、基本原理和应用；基于激发原理将超透镜归纳为等离激元型和介质型，基于功能性将其归纳为变焦距型、像差消除型，以及宽带无色散型；分类综述了超透镜的最新进展和研究趋势；总结了相关研究的参数数据、优缺点、商业化进程并展望了未来。本文的主要目的是让读者全面了解超透镜，并为设计高性能的超透镜提供潜在的灵感。
材料 超材料 超表面 超透镜 多功能集成 激光与光电子学进展
2023, 60(21): 2100004
1 华中科技大学武汉光电国家研究中心，湖北 武汉 430074
2 华中科技大学光学与电子信息学院，湖北 武汉 430074
3 湖北光谷实验室，湖北 武汉 430074
光谱分离成像是一种可同时获取光谱信息、空间位置信息的探测技术，被广泛应用于地理、环境、生物、光学等领域，集成化是该技术的重要发展方向之一。提出了一种基于超透镜的光谱分离技术，采用选择性光谱响应单元结构对红、绿、蓝（RGB）三个波段的聚焦相位进行编码，基于单片器件即可收集不同位置的光谱信息，简化了获取光学信息的过程，推动了小型化光谱分离成像器件的进一步发展。
探测器 光谱分离成像 超表面 多焦点超透镜 几何相位 中国激光
2023, 50(18): 1813014
