超构透镜是一个非常火的话题，作为从学术界慢慢拓展到工业界的应用级产品，超构透镜正在走近日常生活中。目前已经有不少公司推出商用化的超构透镜产品，包括Metalenz公司与意法半导体合作的超构透镜激光雷达系统、Polarizer偏振眼成像系统，国内迈塔兰斯公司推出的红外成像系统和结构光点云成像系统等。作为超构透镜专栏的开篇，这里主要想分享一些关于超构透镜起源的故事。

超构透镜是从超表面中衍生而来的，早期超表面的材料体系是金属结构，早在2013年就有提出利用V型金属天线排布成聚焦相位，以此构成超薄平面超构透镜的工作，但是那时候金属超表面的透射效率较低，同时金属材料体系很难工作在可见光波段，因此该工作并未引起足够的重视。

直到2016年，哈佛大学的Capasso教授首次提出利用TiO2二氧化钛纳米柱通过几何相位设计超构透镜，并将该概念发在Science期刊封面，超构透镜才迎来发展的黄金时期。Capasso教授同年有几篇超构透镜的成果，为这个领域奠定了基石。首先是Science封面的“Metalenses at visible wavelengths: Diffraction-limited focusing and subwavelength resolution imaging”，实验证明了介质超构透镜可以达到接近衍射极限的聚焦成像，功能与现有的显微成像系统相媲美。接着在Nano Letters中发表“Polarization-Insensitive Metalenses at Visible Wavelengths”，利用各向同性的圆柱超表面构建超构透镜，以传输相位的调制方式实现聚焦成像功能。这两篇文章掀起了超构透镜的研究热潮。

超构透镜本质是二维平面上以聚焦相位分布排列的纳米柱阵列。和其他的透镜相同，超构透镜的主要功能也是将空间光束聚焦并在焦平面成像，同理，超构透镜也受到阿贝衍射极限的限制，存在最小的分辨率极限。

但是其优势同样很明显，亚波长的厚度让它几乎可以集成在任意的成像场景中，包括内窥镜、显微镜等；同时超构透镜的纳米柱结构可以通过材料、几何参数、构型等方式设计，这带来了非常多的自由度，也促使偏振成像、光谱成像、宽带消色差成像、鱼眼超广角成像等全新的成像方式的出现。

超构透镜还有一个显著的优势是材料体系的多样性，不同的材料体系可以设计出工作在不同波段的超构透镜，包括常见的Visiable可见光波段、Near-Infared近红外波段、Mid-infrared中波红外波段等，甚至Long-infrared长波红外和Ultraviolet紫外光同样可以实现。这赋予了超构透镜执行常规成像透镜不能实现的一些特殊场景的能力。

目前超构透镜的学术研究慢慢步入尾声，但是商业化道路才刚刚开始，超构透镜的实用场景还需要更加深入的去挖掘。据不完全统计，超构透镜的商用市场有数十亿美元，随着国内微纳光学领域的发展，微纳加工工艺的成熟，相信超构透镜的商业化产品会在不久的将来走近大众的视野。

参考文献：

1.Chen, W. T., Zhu, A. Y. & Capasso, F. Flat optics with dispersion-engineered metasurfaces. Nature Reviews Materials 5, 604–620 (2020).

2.Ni, X., Ishii, S., Kildishev, A. V. & Shalaev, V. M. Ultra-thin, planar, Babinet-inverted plasmonic metalenses. Light: Science & Applications 2, e72–e72 (2013).

3.Wang, S. et al. A broadband achromatic metalens in the visible. Nature Nanotechnology 13, 227–232 (2018).

4.Rubin, N. A., Chen, W. T. & Capasso, F. Matrix Fourier optics enables a compact full-Stokes polarization camera. Science 10 (2019)

5.Shalaginov, M. Y. et al. Single-Element Diffraction-Limited Fisheye Metalens. Nano Lett. 20, 7429–7437 (2020).

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