超表面透鏡，離商用越來越近了

最近哈佛大學capasso組實現了一種高效率的、超薄的（約一個波長）、平面化的超表面透鏡（metasurface lens），可以將可見光匯聚到亞波長尺寸的光斑，工作發表在最新的Science上[1]。這種超表面透鏡，有望取代手機、顯微鏡、照相機等鏡頭。

我們知道，現在的商用透鏡都是下圖這樣子，主要是根據費馬原理，即光傾向於往高折射率的地方折射，合理的設計透鏡的形狀就能將光匯聚到一點。或者可以認為，透鏡不同地方的厚度不一樣，所以光經過透鏡之後，累積的相位也不一樣，從而改變的光的波陣面，使光可以匯聚。

早在2011年，capasso組提出了一種新的設計透鏡的原理。當光照射到亞波長散射體時，它的相位會發生突變，即非連續變化，將這種散射體排成一個面，然後精確控制每個單元的結構來控制光的相位，那麼就可以使光匯聚到一點[2]。這就是所謂的超表面透鏡。

可以基於兩種原理來設計超表面透鏡。一種是針對線極化光，每個散射體都是一個亞波長的諧振腔，通過調節諧振腔的尺寸，來控制透射波或者反射波的相位。另外一種是針對圓極化光的，通過控制每個散射體的旋轉角度，來改變所謂Pancharatmane–Berry相位，從而改變透射波的波陣面。這種相位是一種幾何相位，只跟散射體的旋轉方向有關。capasso組的工作就是基於這個原理的，所以從上圖中可以看到，每個散射體幾何尺寸是一樣的，但是旋轉角度不一樣的。

實際上，基於這種原理的透鏡也早已經實驗實現了，但是以前的工作的缺點是採用的材料損耗比較大，效率比較低，所以性能不能跟已有的商用透鏡相比。這個工作的重點是，採用了低損耗的氧化鈦作為材料，來實現了超表面透鏡，效率高達86%。

更有意思的是，他們把這種超表面透鏡與現有的商用透鏡，在性能上做了對比。結果表明，超表面透鏡具有更高的解析度，約為商用透鏡（100× Nikon CFI 60; NA = 0.8）解析度的1.5倍。

再加上超表面透鏡超薄的優點，在將來的透鏡市場中（比如新興的VR）有著較強的競爭力。

當然，這種透鏡也有局限性，比如入射光必須是圓極化光，所以不能直接使用，可能需要在鏡頭前加濾波器。

無論超表面還是超材料，最被人詬病的是，這些概念有什麼用？而這個工作正好是證明了，超表面材料具有很高的潛在商用價值。

希望這類工作以後越多越好。

References

[1] Khorasaninejad, Mohammadreza, et al. "Metalenses at visible wavelengths: Diffraction-limited focusing and subwavelength resolution imaging." Science 352.6290 (2016): 1190-1194.

[2] Yu, Nanfang, et al. "Light propagation with phase discontinuities: generalized laws of reflection and refraction." science 334.6054 (2011): 333-337.

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