导读

超构透镜是一种由超原子排列形成的相位调制超表面，能够将入射的平面波精确地聚焦到焦点上。由于超构透镜在光束整形、聚焦、光谱成像、偏振分析和高维光学量子源等方面展现出强大的多自由度调控能力，具有广阔的应用前景，因而受到了学术界的广泛关注。然而，在实际生产过程中，由于设计、加工和存储条件的限制，超构透镜的实际相位分布往往会与理想相位分布存在一定差异，影响超构透镜的性能。因此，精确量测超构透镜的相位分布对于提升其性能至关重要。

近日，复旦大学光子晶体课题组与香港城市大学团队、清华大学团队合作，提出了一种基于光场扫描的多距离相位成像的超构透镜相位量测方法。这种方法成功摆脱了传统干涉方法对光源相干长度和光路稳定性的限制。研究团队利用这一方法定量测量了近红外超构透镜的相位分布，并首次成功观测到超构透镜在工作介质改变时所带来的相位变化。相关成果以“Metalenses phase characterization by multi-distance phase retrieval”为题发表在国际光学顶尖期刊《Light: Science & Applications》。复旦大学博士生刘博文，香港城市大学博士生程家洛为共同第一作者，香港城市大学陈沐谷教授，复旦大学赵茂雄博士，清华大学耿子涵教授为该论文的通信作者。

作为相位调制的光学元件，相位分布是超构透镜最关键的参数。在获得相位分布后，计算包括焦距，波相差在内的光学性能。然而在光频段，对相位的测量较为困难。因此目前主流的超构透镜表征方法是光场扫描与电子显微镜。光场扫描方法能够提供超构透镜的功能信息，但无法显示超构透镜对光场的局部响应，电子显微镜能够提供微纳结构单元排布的结构信息，但可能会对一些非导电材料的样品产生破坏，同时无法提供样品的光学响应。

目前已有的针对超构透镜的相位测量方法包括离轴数字全息和波前传感器。离轴数字全息方法引入一束斜入射的参考光，与样品光干涉后通过K空间滤波获得样品的相位分布，这种方法需要较为复杂的光路，同时对光源的相干长度有较高的要求。波前传感器使用衍射光栅分波前，从干涉图样中计算出样品相位分布。这种方法会受到波前传感器结构的影响，并且具有较低的能量利用率，光栅的高阶衍射也会对测量结果产生影响。

为了摆脱原有方法对复杂光路系统的依赖，研究团队开发了一种基于光场扫描的超构透镜相位测量方法。通过扫描样品附近的光场强度信息，可以获取不同位置的光强强度分布，并利用迭代算法计算出超构透镜的相位分布（图1）。该方法的相位测量准确度为0.02弧度。这种方法适用于不同工作波长的超构透镜测量，并且可以在脉冲激光条件下给出样品的相位响应。

图1 从不同位置处强度测量中通过迭代算法进行相位复现。

在此基础上，研究团队进一步分析了迭代算法对于不同光场照片的收敛性，如图2所示。结果表明，在测量测量图片数量足够多，图片之间间隔足够大的情况下，系统能够准确地收敛到正确的样品相位分布。此外，研究人员发现，图像数量与图像间隔之间呈反比例关系，这表明影响迭代算法收敛性的关键因素是扫描到的总光场长度。

图2 不同光场扫描图片数与图片间隔下均方差分布。

为了进一步验证系统在红外波段的相位测量能力，研究人员对一组工作波长为1560 nm的近红外超构透镜进行了相位测量与波相差分析。如图3（a）所示，其中一块样品在加工，储存过程中出现了缺陷，具体表现为样品上的脏污，划痕。这些缺陷导致其光场分布相比无缺陷样品也产生了偏移。使用上述多距离成像方法对两块样品分别进行了相位测量，再减去其对应焦距的标准透镜相位分布后，可以得到两块样品的波相差。比较两块样品的波相差分布，可以发现样品表面的缺陷带来了样品相位的改变。进一步对波相差做Zernike展开，有缺陷样品的第九项展开系数明显增大，说明缺陷给样品带来了球差。此研究表明，多距离成像方法不仅能够精准测量超构透镜的相位分布，还能有效识别和分析样品表面的缺陷对光学性能的影响。

图3 近红外超构透镜的相位测量与分析。

工作在不同介质中的超构透镜受到了广泛的关注。在工作介质发生改变时，超构透镜的光场调制发生的变化被广泛的研究，但其内在原因尚不明确。研究团队测量了一块设计工作环境为空气的超构透镜样品在空气和无水乙醇中的相位分布。结果显示，由于工作介质的改变，超构透镜的相位分布发生了显著的变化。相比于在空气中的情况，当样品浸润在乙醇中时，其相位分布出现了明显的跳变。这说明一部分微纳结构单元的相位调制在不同介质中发生了变化。这是第一次测量到由于工作环境变化引起的超构透镜相位调制变化。这一发现为理解超构透镜在不同介质中的光学行为提供了新的视角，也为未来超构透镜的设计和应用提供了重要参考。

图4 超构透镜在无水乙醇与空气中的相位分布。

应用与展望

在超表面结构从实验室走向工业应用的道路上，该系统可以为设计人员优化设计，质量控制人员制定标准以及制造商改善制造工艺提供可靠的信息。上述研究得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金重大项目、上海市科委等项目和中国博士后基金项目的支持，以及香港研究资助局项目的支持，感谢香港城市大学蔡定平教授与复旦大学石磊教授的支持与指导。（来源：LightScienceApplications微信公众号））

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-024-01530-1