光学超表面在成像和传感中的应用

光学超表面已成为解决笨重光学元件所带来的限制的有前途的解决方案。与传统的折射和传播技术相比，它们提供了一种紧凑、高效的光操纵方法，可对相位、偏振和发射进行先进的控制。本文概述了光学超表面、它们在成像和传感技术中的各种应用以及这些领域的最新进展。

光学超表面研究背景

几十年来，物理学家和工程师一直对光学超材料着迷不已。虽然理论讨论始于 20 世纪 40 年代，但在纳米技术和半导体制造技术进步的推动下，过去 20~30 年才取得了重大的实验进展。

早期的理论侧重于三维体纳米结构材料，但实际工作很快转向二维纳米结构光学元件，即所谓的光学超表面。这些二维超表面实现了相位和振幅的快速纳米级变化，提供了前所未有的光控制能力，从而彻底改变了对光的操纵1。

光学超表面是如何工作的?

光学超表面是由以二维或准二维模式排列的光散射电介质或金属纳米结构组成的人工工程材料。这些表面为高精度控制光的偏振、相位和振幅提供了一个紧凑而复杂的平台。

与依靠光的折射和传播的传统光学不同，光学超表面通过纳米结构的散射来操纵光。这些纳米结构与进入的光线产生共振，并以可控的相位、偏振和光谱特性重新发射光线，从而实现对光波的精确塑造。

这种控制水平可增强光谱选择性、波前和偏振控制，并改进光辐射和检测。

与传统光学元件相比的优势

光学超表面的主要优势是能够在薄的平面几何结构内实现复杂的光学功能。这为定制光学响应提供了极大的灵活性，可实现传统光学元件难以实现或无法实现的功能。

光学超表面可在单层内同时实现多种光学功能，从而减少了对众多分立元件的需求，使系统更加高效和紧凑。它们可以在从可见光到红外线的各种波长范围内工作，从而提高了各种应用的通用性。

成像领域的应用

先进成像技术中的超分辨率

光学超表面通过提供更高的分辨率和小型化，正在改变成像技术。它们可以克服衍射极限，在光学相干断层扫描(OCT)和双光子显微镜等系统中实现超分辨率成像。

在等离子体结构照明显微镜(PSIM)中，与传统方法相比，具有周期性狭缝排列的光学超表面可将分辨率提高 2.6 倍。

双光子显微镜也得益于超表面，薄型双波长超表面物镜实现了 0.5 的高数值孔径(NA)，可用于紧凑型高分辨率成像。

同样，在 OCT 中，光学超表面提高了成像分辨率，并将焦深(DOF)扩展到 211 μm 和 315 μm，性能优于传统透镜，同时缩小了元件尺寸。

多色全息图

光学超表面还能促进鬼影和复杂光场成像等高级应用，从而增强计算成像能力。此外，研究人员通过将复杂的相位分布编码到单个光学超表面层上，开发出了高效的多色全息图，在色差校正的情况下实现了超过 90% 的彩色成像分辨率。

高分辨率偏振和高光谱成像

在功能成像中，光学超表面可实现先进的偏振和超光谱成像。它们无需传统的滤光片即可提供高效的偏振分析，从而增强了测量和分析偏振状态的能力。

超光谱成像还得益于光学元表面，它支持高质量的因子共振，可对分子变化进行超灵敏检测，从而实现详细的光谱分析并增强生物传感能力。

传感应用

光学超表面的独特性能也使其在生物传感、气体传感和化学传感领域得到广泛应用。与传统的等离子体传感器相比，这些基于超表面的传感器具有更高的灵敏度、选择性和检测限，还有利于微型化和集成到便携式设备中。

用于病毒诊断的 SPR 传感器

光学超表面的一个关键应用是将其用于增强生物标记物检测的传统等离子体传感器，从而显著提高疾病诊断的准确性。

最近的研究表明，将超表面集成到表面等离子体共振(SPR)传感器中可大大提高灵敏度和检测限。这些先进的 SPR 传感器已成功检测出乙型肝炎、寨卡病毒和 SARS-CoV-2 等病毒，证明了基于超表面的生物传感器在快速精确诊断疾病方面的潜力。

空气质量监测

传统的气体传感器反应时间慢、对环境变化敏感，与之不同的是，基于光学超表面的传感器可利用金属-绝缘体-金属(MIM)结构中的等离子效应，提供快速、高灵敏度的检测。

例如，超材料完美吸收体(MPA)传感器由于增强了分析物之间的相互作用，对二氧化碳和丁烷等气体的灵敏度达到 22.4 ± 0.5 ppm·Hz-0.5。

这种出色的灵敏度，加上其小巧的体积和快速的响应时间，使这些传感器成为广泛传感器网络的理想选择。它们可提供城市、工业和自然环境中空气质量和温室气体的实时、高分辨率数据。

无损实时化学监测

基于光学超材料的传感器集成了微流控通道和双分裂环谐振器，能够对液体或气体环境中的多种化学物质浓度进行实时、无标记监测。它们能够根据特定的化学特征调整光学响应，因此在环境监测、食品安全检测和工业过程控制方面具有很高的价值。

最新进展和新兴趋势

光学超表面领域发展迅速，最近取得的突破极大地增强了成像和传感应用。

单次偏振成像

哈佛大学的研究人员最近利用穆勒矩阵成像技术和纳米工程光学超表面，开发出一种紧凑型单次偏振成像系统。相关成果发表在《自然·光子学》(Nature Photonics)上。

这一创新系统采用更简单的设计，只需一步就能捕捉和分析偏振光，取代了依赖多个旋转板和偏振片的传统复杂装置。

所提出的方法消除了移动部件，从而简化了设计。它具有实时应用的潜力，如活体组织显微镜、偏振内窥镜、视网膜扫描和无创癌症成像。

用于自适应传感系统的可重构超表面

开发可在不同光学功能之间动态切换的可重构光学超表面已成为一种日益增长的趋势。

在最近发表于《自然·通讯》的一项研究中，研究人员设计了一种灵活的传感器，可在高对比度边缘检测和详细红外成像之间快速切换。

这是通过利用二氧化钒的相变特性实现的，这种特性会随着温度的变化而改变超表面的光学特性。

这种可重构性为自适应成像和传感系统(包括远程作物监测和定量相显微镜)提供了新的可能性，使其能够根据环境条件或用户需求调整功能。

未来展望

光学超表面极大地推动了成像和传感技术的发展，在超薄、紧凑的结构中提供了前所未有的光操控控制。这使得从超分辨率显微镜到高灵敏度化学检测等应用领域都具备了新的能力和增强功能。

随着制造技术的不断进步，基于超表面的设备必将改变各行各业，包括消费电子、医疗设备和科学研究。

审核编辑 黄宇