面向偏振成像的超构表面研究进展

周俊焯，郝 佳，余晓畅，周 健，邓宸伟，虞益挺*

（1.西北工业大学 宁波研究院, 浙江 宁波 315103；2.西北工业大学 机电学院, 陕西 西安 710072；3.空天微纳系统教育部重点实验室 陕西省微纳机电系统重点实验室,陕西 西安 710072；4.西安现代控制技术研究所, 陕西 西安 710065；5.北京理工大学信息与电子学院, 北京 100081）

1 引 言

偏振成像在信息获取维度上不同于光强或光谱等传统成像技术，不仅能采集场景的二维空间分布信息，还可获取偏振度、偏振角和椭圆度等偏振特性参量。偏振双向反射分布函数[1-5]表明：散射光的偏振特性与物体表面的形貌特征和理化性质密切相关。通过分析散射光的偏振信息，可以定性地区分形貌特征和理化性质不同的物体，或定量地解算物体表面诸如粗糙度、表面法向、光学常数等本征属性[6-9]。因此，偏振成像技术在目标探测[10-11]、水下成像[12-15]、生命科学[16-17]、环境监测[18-19]、三维成像[20-21]等领域具有广阔的应用前景。在民用领域，偏振成像技术能够用于消除反光[22-24]、穿云透雾[25-26]、道路检测[27-28]、细胞鉴定[29]等，从而助力智慧工业、智慧交通和智慧医疗的发展。在军事领域，偏振成像技术可应用于机载或星载光电探测系统[30-31]、制导武器的导引系统[32]和可穿戴式红外成像仪[33]，从而提升战场态势分析、战术战略预警和目标精确打击等作战效能。随着搭载平台小型化、工作环境极端化、应用需求多样化的发展趋势，亟需研制高集成、高性能和高可靠性的偏振成像系统。

为解算场景的偏振态信息，偏振成像系统需要采集多幅偏振态互异的强度影像，其中偏振分光或滤光器件起到关键作用。它不仅决定偏振成像系统的探测模式、谱段范围和分辨率等光学性能，也在很大程度上影响了系统整机的架构、体积、质量等指标[34-35]。传统的偏振分光或滤光器件有偏振分光棱镜、染料系偏振片等。偏振分光棱镜将水平偏振和垂直偏振的光分别送入不同偏振成像通道，可构成分振幅型偏振成像系统[36-37]。然而，偏振分光棱镜自身体积较大，且不同偏振通道需要有独立的光学元件和探测器，使得该类系统体积庞大、难以集成。染料系偏振片采用定向排列的二色性染料分子实现偏振滤光[38]，可作为单向偏振滤光器集成于分时型偏振成像系统中[39]，也可利用染料分子和液晶分子的宾主效应构成微偏振阵列集成于分焦平面型偏振成像系统中[40-42]。然而染料分子消光比不高，其二色性吸收性能对光波波长较为敏感[43]，且在电场、磁场、热场和应力的刺激下容易失效[44]。因此，基于染料分子的偏振滤光器件具有消光比低、工作带宽窄、性能不稳定等缺点，难以满足在极端工作环境下宽波段、高对比度的偏振成像需求。

随着微纳加工技术的发展，利用微纳加工工艺在半导体衬底上制备微纳结构以调控光场偏振特性的光功能器件，因其轻量化、集成度高、结构稳定性好等优点受到了研究人员的青睐[45]。早期的微纳结构偏振器件主要为亚波长金属线栅。亚波长金属线栅是由亚波长间距的平行金属线条周期性排列构成的通过亚波长周期保证仅存在强偏振特性的零级衍射波[46-47]。根据等效介质理论[48-49]，亚波长金属线栅对TM 偏振光和TE 偏振光分别体现出介质膜和金属膜的特性，从而实现偏振滤波的功能。研究表明[50-53]：亚波长金属线栅具有入射角范围大、消光比高、耐热性好和工作带宽大等优点。目前，亚波长金属线栅的发展较为成熟，已实现从可见光波段到红外波段的产品系列化。例如，Thorlabs 的可见光线栅偏振片，在420～700 nm 的波段内，可实现800 的消光比和大于83%的TM 偏振透过率；长波红外线栅偏振片，在7～15 μm 的波段内，可实现10 000 的消光比和大于75%的TM 偏振透过率。此外，将像素尺寸大小的亚波长金属线栅进行多方向组合，并进行周期性排列，可得到微偏振阵列[54-57]，实现分焦平面偏振成像[58]。2018 年，Sony 公司推出用于工业相机的偏振图像传感器IMX250MZR，其单个超像素包含0°，45°，90°，135°方向的亚波长金属线栅子像元，分辨率为2 448×2 048，消光比达到300。然而，由于仅允许TM 偏振光透过、TE 偏振光反射的工作机理，该类器件的能量利用效率极限仅为50%，使得基于亚波长金属线栅或微偏振阵列的偏振成像系统在低环境照度场景的应用受到限制。突破亚波长金属线栅能量利用效率极限的关键在于同时利用TM 偏振光和TE 偏振光，这势必会增加偏振器件的结构维度，而超构材料（Metamaterials）的出现为解决这一难题提供了新的范式。

超构材料是通过对天然材料进行加工，在其表面或内部形成周期性排列的亚波长结构阵列获得的[59]。由于其性质源于内部的微观结构，而非化学组成，通过调整亚波长单元的几何参数和组合方式，可以获得自然界中不存在的电磁响应性质。2001 年，加州大学的Smith 等[60]采用印刷电路板工艺，以铜线和开口谐振环的组合图形为结构单元，制造出具有负介电常数和负磁导率的结构，实验验证了1968 年Veselago[61]对左手材料的预测。另一方面，超构材料具有多维结构自由度，允许在不同偏振方向和波段范围对光场的振幅及相位参量进行独立调控，其作为微纳光场调控器件表现出巨大潜力。然而，目前三维超构材料的加工[62]主要通过印刷电路板工艺、机械加工及组装、3D 打印技术和微纳加工技术。其中，前3 种制造技术能获得的结构单元特征尺寸在毫米量级，主要用于微波波段超构材料的制造。微纳加工技术利用多层掩模版套刻的方法，逐层制造特征尺寸为微米量级甚至百纳米量级的复杂三维结构，但制造难度大、工艺成本高、加工周期长。因此，超构表面作为超构材料的二维平面形式，兼具工艺可实施性和光场多维调控能力，成为研究人员新的追逐方向。基于超构表面的偏振器件可同时调控光场的TM 偏振和TE 偏振分量，从而理论上使器件的能量利用效率突破50%。本文面向偏振成像领域，以能量利用效率为主线，阐述相关超构表面器件的功能原理、发展脉络和未来趋势，讨论并展望其在成像应用和系统集成方面所面临的挑战与未来发展趋势。

2 面向偏振成像的超构表面器件

超构表面是结构单元以亚波长间隔按准周期方式排列而成的二维平面器件，通过对入射光波施加离散的相位突变和振幅分布，以实现超常的光场调控功能[63-64]。其中间隔选定（λ/10）亚波长避免因间距过大而导致的散射效率不足，以及因间距过小而导致的相邻单元发生电场耦合，进而实现对光场相位、振幅等参量在亚波长量级的精细操纵。超构表面调控光场的研究热潮兴起于2011 年哈佛大学Capasso 课题组的一项研究工作[65]。该工作基于费马原理提出广义斯涅尔定律，指出在两介质的交界面上对光波施加离散的相位突变即可调控波前，并基于V 型等离激元天线结构设计了波束偏转器和涡旋相位板。超构表面体现出对光场精细调控的能力，引起科研人员对于微纳光子学器件浓厚的研究兴趣，由此基于超构表面的波片[66-69]、偏振调控全息[70-71]、特殊光场生成器[72-74]等器件被陆续提出。

在偏振成像领域，基于超构表面的偏振器件可分为光栅型和透镜型两类[75]。光栅型偏振成像超构表面将不同偏振态的光映射到光栅的不同衍射级次，通过搭配后置透镜会聚光束到探测器焦平面，从而实现分孔径型偏振成像；透镜型偏振成像超构表面则将入射光按照预设的偏振态分束，并分别会聚到指定焦点位置处，可实现分焦平面型或分孔径型偏振成像。两者均有望代替亚波长金属线栅集成到偏振成像系统中，并突破后者的能量利用效率极限。尽管超构表面能对TM 偏振光和TE 偏振光进行空间复用，但其能量利用效率的提升并非一蹴而就。构成超构表面的基本单元经历了从等离激元结构，到间隙表面等离激元结构，最后到全电介质结构的演变过程。

2.1 基于等离激元结构

早期的超构表面采用金或银等金属材料作为其结构材料，这是因为它们具有高的电子密度和电导率，使其在红外或微波波段具有良好的性能表现[76]。但在可见光波段，电磁波频率接近自由电子共振频率，电磁波入射金属结构会引起金属内部自由电子的集体振荡，即等离激元现象[77]，导致入射波能量转化为自由电子振动能量，从而使基于等离激元结构的超构表面体现出很强的金属损耗，通常其能量利用效率不会超过10%[78-79]。为提高超构表面的能量利用效率，研究人员采用间隙表面等离激元结构设计超构表面[80]。间隙表面等离激元（Gap-Surface Plasmon，GSP）结构是在金属纳米谐振器和金属膜层之间插入亚波长厚度的电介质隔层[81]，通过电介质隔层上下两侧的表面等离激元耦合实现光场增强[82-83]，从而提高器件的光能利用效率。2015 年，南丹麦大学的Pors 等[84]基于GSP 结构研制了近红外波段全斯托克斯光栅型偏振分光超构表面，如图1（彩图见期刊电子版）所示。由图1（a）可知，该光栅由3 组相互交织的微纳结构阵列构成。如图1（b）所示，每组阵列的相位梯度不同，可分别调控(x,y)、(a,b)、(l,r)正交偏振态，从而实现各组正交偏振态的分光反射。通过测定不同衍射方向的光强度，可以解构入射光的全斯托克斯偏振参量。遗憾的是，未被分光的零级衍射光大约占据光能量的40%，导致器件的能量利用效率较低。同年，普渡大学的Shaltout 等[85]基于Au(30 nm) - Al2O3(50 nm) - Au(50 nm)的GSP 结构制备了光栅型圆偏振分光超构表面。该超构表面利用光子自旋霍尔效应实现左旋偏振光和右旋偏振光的反射分光，并具有角度色散的功能，如图1（c）所示，可在1 500 mm处实现40%的能量利用效率。2017 年，南丹麦大学的Boroviks等[86]基于Au(50 nm) - SiO2(50 nm) - Au(150 nm)的GSP 结构构造了透镜型偏振分光超构表面，其能够反射分离正交偏振态并聚焦于不同焦点位置，如图1（d）所示。器件的工作波段为750～950 nm，偏振消光比达到30 dB，能量利用效率为65%。然而，基于等离激元结构或间隙表面等离激元结构的超构表面，为实现较高的能量利用效率，需要工作于反射模式下[87-88]，这增加了器件与光学系统集成的难度[89]。

图1 基于等离激元结构和全电介质结构的超构表面。（a）基于GSP 结构的全斯托克斯偏振测定光栅型超构表面[84]；（b）该光栅型超构表面由3 组相位梯度不同的微纳结构阵列组成，可调控(x, y)、(a, b)、(l, r)正交偏振态[84]；（c）基于GSP 结构的光栅型圆偏振分光超构表面[85]；（d）基于GSP 的透镜型偏振分光超构表面[86]；（e）超构单元包含2 种TiO2 微纳结构，分别调控左旋和右旋偏振光[92]；（f）圆二色性甲虫外骨骼成像实验[92]；（g）超像元由分别会聚x，y，a，b，l，r 偏振态的超构透镜组成[93]；（h）该超构表面可作为Hartmann-Shack 波前传感器，径向偏振光的强度分布（左），解析得到的偏振轮廓图（右）[93]Fig.1 Metasurfaces based on plasmonic and all dielectric structures.(a) Metagrating based on a GSP structure for the determination of full Stokes parameters[84]; (b) the metagrating consists three kinds of micro-nano structure arrays with different phase gradients, which can manipulate orthogonal polarization states (x, y), (a, b), (l, r)[84]; (c) circular polarization splitting GSP-based metagrating[85]; (d) polarization splitting and focusing metasurface GSP-based metalens[86];(e) meta-atom includes two kinds of TiO2 nano-micro structures manipulating left-handed and right-handed circular polarization light, respectively; (f) polarization image of the exoskeleton of a chiral beetle[92]; (g) meta-pixel is composed of metalenses focusing x，y，a，b，l，r polarization states, respectively[93]; (h) the metasurface can be served as Hartmann-Shack wavefront sensor, intensity distribution of radially polarized beam (left), and calculated polarization profile (right)[93]

2.2 基于全电介质结构

为进一步提高能量利用效率，并获得可工作于透射模式的偏振分光超构表面，研究人员考虑使用低损耗的电介质材料作为超构表面的结构材料[90-91]。由于避免导体电子与光波作用产生的等离激元现象，电介质结构单元对光场的振幅和相位调制量随结构尺寸的变化较为平滑，不存在振幅相位突变点，这有助于结构单元排列。2016 年，哈佛大学的Khorasaninejad 等[92]基于几何相位原理设计了单透镜型偏振分光超构表面，通过间隔排列两种不同的TiO2纳米结构阵列，实现左旋、右旋圆偏振光的分束聚焦功能，如图1（e）所示。在线偏振光入射条件下，该器件的能量利用效率达到45%。为了得到合适的视场范围以对甲虫整体进行成像，器件的设计焦距为3 cm，导致较小的数值孔径（NA=0.05），因而图像分辨率较低。从图1（f）的甲虫外骨骼成像图中可见：该透镜型偏振分束超构表面将探测器焦平面分为左右两个部分，每个部分呈现偏振态不同的场景图像，类似分孔径型偏振成像系统得到的图像。另一种工作模式是使超构表面同时集成微偏振阵列和微透镜阵列的功能，从而实现分焦平面型偏振成像。2018年，华中科技大学的杨振宇课题组[93]研制了一款硅基透镜阵列型偏振滤光超构表面，超构表面的超像元由6 个分别聚焦x，y，a，b，l，r偏振态的超构透镜组成，如图1（g）所示，通过获取超像素焦点处的强度信息解算全斯托克斯偏振参量。由于光束的相位梯度会引起焦点位移，通过测量焦点偏移量(dx,dy)可还原入射光束的波前信息，因此该超构表面也可作为Hartmann-Shack 波前传感器，图1（h）展示了径向偏振光入射时，解析得到的偏振轮廓图案。仿真结果表明：该器件在1 550 nm 偏振光入射下能达到60%的能量利用效率，但实测值仅为28%。仿真结果与测试结果不一致的原因在于：1.加工制造上存在误差，若器件设计对形貌公差较为敏感，则会出现仿真结果和实测结果差异较大的情况；2.仿真过程利用了局部周期性假设，但实际上相邻单元之间形状各异，并非完全周期。

2.3 基于几何相位和传输相位

由于电介质材料具有较大的折射率和较小的衰减系数，因此电介质超构表面可以避免欧姆损耗和材料色散等问题[94]。此外，电介质超构表面的制造工艺与半导体金属氧化物制造工艺兼容，有望实现光功能芯片和电子电路芯片的一体化集成[95-97]。然而，上述超构表面设计通过交织排列对不同偏振态光进行调控的微纳结构阵列，从而实现多种偏振态的分束聚焦，这种分割孔径的设计方法或对单偏振模态进行滤光的工作机理使其能量利用效率极限仅为50%，未能充分展现超构表面多维光场联合调控的优势。利用几何相位和传输相位相结合的光场调控方法可实现对正交偏振态的同时调制，进而突破传统方法的能量利用效率极限。对于几何相位，电磁波在偏振态转换过程中，各向异性结构的几何旋转会使之产生一个额外的相位，由印度科学家Pancharatnam[98]于1956 年和英国理论物理学家Berry[99]于1984 年分别独立研究发现，故也称为Pancharatnam-Berry相位。具体推导如下[100]：假定偏振光沿主轴方向入射时不存在正交偏振转换，即初始琼斯矩阵副对角线上的元素为零。那么旋转亚波长谐振单元的琼斯矩阵J(θ)为：

因此，透射电场包含原偏振项（êL/R）和正交偏振项（êR/L），且旋转单元对正交偏振项施加几何相位2θ，从而实现入射光的自旋解耦相位调控。为使正交偏振项的转换效率达到最大，通常要求结构单元两主轴复透射系数的模值相等且相位差为π，即令(to+te)等于零。传输相位是电磁波在结构中传播时所产生的相位，即(to-te)所携带的相位量，根据等效介质理论，改变结构占空比和单元高度可以控制传输相位。综上所述，几何相位和传输相位均为独立的可调量，故可实现两正交偏振态的同时调制。

2015 年，加州理工学院的Faraon 课题组[101]基于传输相位和几何相位相结合的光场调控方法，利用非晶硅纳米椭圆柱构建超构表面（图2，彩图见期刊电子版）。非晶硅纳米椭圆柱具有2 个结构自由度和1 个面内旋转自由度，能独立对两正交偏振态进行振幅和相位调控，如图2（a）所示。该课题组分别设计了光栅型偏振分光超构表面、透镜型偏振分光超构表面、偏振调控全息超构表面和偏振调控特殊光场生成超构表面，如图2（b）所示。实验结果表明：基于几何相位和传输相位原理的非晶硅超构表面，其能量利用效率在72%～97%，相较于此前的超构表面有极大提升。此外，该文章的补充文档详细推导了电介质超构表面多维光场参量调控机理，指出：1.两正交偏振方向任意的相位变换可用对称且幺正的琼斯矩阵进行表示；2.若可自由选择单元对正交主轴方向偏振光施加的相位角(ϕx,ϕy)以及单元的面内旋转角θ，那么由此构成的超构表面，其琼斯矩阵是对称且幺正的。2018 年，该课题组[102]制备了全斯托克斯偏振测定的透镜阵列型偏振分光超构表面，其每个超像元对应6 个探测器像元，包含3 个分别对(x,y)、(a,b)、(l,r)进行偏振分光的超构透镜，每个偏振分光超构透镜能对正交偏振态分束并聚焦到不同焦点位置，如图2（c）所示。超像元周期性排列组合构成整块超构表面，其与探测器集成后可用于偏振成像，如图2（d）所示。但由于大尺寸超构表面加工难度大，基于超构表面偏振成像的图像像素数远小于常规偏振成像方法，前者图像相较于后者略显模糊。值得注意的是，实验测定表明该超构表面在可见光波段的能量利用效率为60%～65%，突破了亚波长金属线栅的能量利用效率极限。

图2 基于几何相位和传输相位原理的全电介质超构表面。（a）由非晶硅纳米椭圆柱构建的超构表面[101]；（b）光栅型偏振分光超构表面、透镜型偏振分光超构表面、偏振调控全息超构表面和偏振调控特殊光场生成超构表面[101]；（c）透镜阵列型偏振分光超构表面[102]；（d）目标偏振图案（左）、基于常规偏振成像方法得到的偏振图案（中）、基于超构表面得到的偏振图案（右）[102]；（e）单透镜型偏振分光超构表面[103]；（f）3 块偏振分光超构透镜拼成的超构表面[104]；（g）6 种基本偏振态入射，超构表面的偏振分束聚焦效果实验与仿真的比较[104]Fig.2 All dielectric metasurface based on geometric phase and propagation phase theory.(a) The metasurface is composed of elliptical amorphous silicon posts[101]; (b) polarization splitting metagrating, polarization splitting metalens, polarization-dependent holographic metasurface and polarization-dependent special optical field metasurface[101]; (c) polarization splitting metalens array[102]; (d) targeted polarization mask (left), the fabricated mask imaged using conventional polarimetry (middle), the same mask imaged using the metasurface (right)[102]; (e) polarization splitting metalens[103]; (f)planar metasurface consisting of three polarization splitting metalenses[104]; (g) the comparison of measured and simulated results of the metasurface focusing effect with the incidence of six basic polarization states[104]

传输相位和几何相位相结合用于调控光场的方法，也可用于构造单透镜型偏振分光超构表面，实现分孔径偏振成像。2019 年，中国科学院光电技术研究所的罗先刚课题组[103]研制了工作于长波红外波段的单透镜型偏振分光超构表面。其通过交织排列对线偏振光调控和对圆偏振光调控的微纳结构阵列，将x，y，l，r偏振态的光会聚到焦平面的4 个象限处，如图2（e）所示。实验结果表明其在10.6 μm 波长的能量利用率为53%。遗憾的是，上述4 种偏振态仅可测定部分斯托克斯偏振参量。2022 年，南京大学的Ren 等[104]将超构表面分为3 块区域，分别为(x,y)、(a,b)、(l,r)用于对正交偏振态进行偏振分光，如图2（f）所示。结合探测器焦平面，该超构表面能实现全斯托克斯偏振测定的功能，各偏振通道之间没有明显的串扰，如图2（g）所示，实验结果表明其在530 nm 工作波段下的能量利用效率为54%。

2.4 超构表面系统集成研究

器件研究的最终目的是其系统集成。2019年，哈佛大学的Rubin 等[105]基于矩阵傅立叶光学设计光栅型偏振分光超构表面，并将其集成于相机系统，实现偏振成像。不同于传输相位和几何相位相结合的超构表面设计方法，基于矩阵傅立叶光学的光栅型偏振分光超构表面可定制分光任意偏振态，如图3（a）所示，通过搭配后置透镜可实现分孔径型偏振成像，如图3（b）所示。该课题组研制的偏振相机能对4 种非常规偏振态进行成像，4 种非常规偏振态如图3（c）所示，相机系统及其成像效果如图3（d-f）所示。2022 年，该课题组[106]基于同样原理研制了全斯托克斯偏振测定功能模块，可直接装配到手机镜头前，如图3（g）所示，使偏振成像超构表面向产业化应用更迈进一步。

图3 基于矩阵傅立叶光学的光栅型偏振分光超构表面的原理、成像及系统。（a）光栅型偏振分光超构表面原理图[105]；（b）搭配后置透镜和探测器可实现偏振成像[105]；（c）4 种非常规偏振态[105]；（d）集成该超构表面的全斯托克斯偏振成像系统[105]；（e）偏振测定图像[105]；（f）偏振角图像[105]；（g）全斯托克斯偏振测定模块[106]Fig.3 Theory, imaging and system of a polarimetric metagrating based on matrix Fourier optics.(a) Theoretical model of a polarimetric metagrating[105]; (b)combination with a rear lens and a detector can achieve polarization imaging[105]; (c) four kinds of unconventional polarization states[105]; (d) full Stokes polarization imaging system integrated with the metagrating[105]; (e) polarimetric measurement image[105]; (f) angle of polarization image[105]; (g) full Stokes polarimetric module[106]

本节以能量利用效率为主线，介绍基于等离激元结构和全电介质结构的偏振成像超构表面。两种超构表面按照其功能形式，可分为光栅型和透镜型，透镜型偏振成像超构表面根据其结构形式又可分为单透镜型和透镜阵列型；按照其工作机制，可分为滤光型和分光型。表1 列出了本节详细阐述的超构表面的工作波段、能量效率、工作模式、制备材料、加工工艺及其功能形式。

表1 本节详细阐述的超构表面特性比较Tab.1 Features comparison of elaborated metasurfaces in this section

3 未来发展方向

不论何种功能类型的超构表面器件，其底层机理都是微纳结构单元在该点处对光场两正交偏振方向的振幅和相位调制，最终使得整块超构表面的光学响应等于各离散点光学响应在空间上的线性叠加，因此超构表面的设计可以归结于超构单元及其排列方式的设计。超构表面的未来发展就是以超构单元为切入点，对其材料、性态、结构、排列等属性进行优化，例如耦合波导超构单元设计、机器学习辅助超构单元排列、基于活性材料的超构单元设计等。面向偏振成像的超构表面在上述发展趋势的共性中体现出个性，表现为对工作波段、偏振性能、设计效率和可调特性的紧密关切。目前，超构透镜是超构表面产业化的主流方向，许多宽带消色差、机器学习辅助设计和动态可调研究是针对超构透镜的，但是“千举万变，其道一也”，面向超构透镜的优化设计方法对偏振成像超构表面也极具参考价值，尤其是透镜型偏振成像超构表面。本节将介绍超构透镜在宽带消色差、机器学习辅助设计和动态可调方面的研究工作，并着重阐述这些研究方法对偏振成像超构表面所具备的可迁移性。

3.1 大带宽消色差偏振成像超构表面

超构表面器件具有色散效应，一方面是由于电磁波传播过程中的累积相位与波长相关，另一方面是超构单元的电磁响应特性受波长影响[107-108]。不同于传统折射光学元件，超构表面对电磁波的偏折角随波长增大而增大，呈现反常色散现象。对于超构透镜，其波长依赖的焦距导致像平面产生色差，严重影响成像质量。目前已有许多针对超构透镜的宽带消色差方法，主要思路是使各个位置处超构单元的色散特性满足超构透镜随波长变化的聚焦相位需求[109]。2015 年，哈佛大学的Aieta 等[110]利用耦合矩形电介质谐振器调控单元的近场耦合模式（图4，彩图见期刊电子版），如图4（a）所示，从而操纵透射场的振幅和相位特性，通过空间排布不同结构参数的耦合单元满足相位补偿条件C(ω)，实现了在1 200 nm、1 550 nm和1 800 nm 波长处的消色差超构透镜。2017 年，南京大学的祝世宁团队[111]将超构透镜的聚焦相位拆分为频率无关的基础相位和频率相关的色散相位，如图4（b）所示。基础相位由几何相位实现，色散相位由微纳金属结构单元的耦合共振相位进行补偿[112]。这些特殊设计的微纳金属结构单元存在多个共振峰，可实现一系列不同斜率的线性相位补偿，如图4（c）所示。基于此范式，该团队实现了1 200～1 600 nm 波段的宽带消色差反射式超构透镜，器件直径为55.5 μm，焦距为100 μm。

图4 宽带消色差偏振分光超构表面。（a）耦合矩形电介质波导结构[110]；（b）聚焦相位可分为基础相位和色散相位[111]；（c）特殊设计的微纳金属结构单元存在数个谐振峰[111]；（d）实验和仿真得到的2 种偏振态下超构透镜焦长随波长的变化情况[113]；（e）2 种线偏振光入射时测得的散射场强度分布图[113]；（f）近红外波段消色差多维探测超构透镜阵列[115]；（g）XLP 和LCP 入射时测得的散射场强度分布图[115]Fig.4 Broadband achromatic polarization splitting metasurfaces.(a) Coupled rectangular dielectric resonators[110]; (b) the focusing phase can be divided into the basic phase and the chromatic phase[111]; (c) there are several resonant peaks in the specially designed micro-nano metallic structure element[111]; (d) measured and simulated focal lengths as a function of wavelength for both polarizations[113]; (e) measured intensity profiles along with longitudinal directions at various incident wavelengths.The left panel is for x-polarized incidence and the right panel is for y-polarization incidence[113];(f) near-infrared achromatic metalens array for multiparameter detection[115]; (g) measured intensity profiles under incidence of XLP and LCP light[115]

透镜型偏振成像超构表面的设计原理与超构透镜类似，不同之处在于前者的焦点位置与入射光波偏振特性相关。这是通过各向异性超构单元的双折射效应实现的，由此单元排列而成的超构表面对正交偏振态呈现出两种独立的相位分布和振幅调制。因此参考超构透镜的宽带消色差方法，透镜型偏振分光超构表面宽带消色差的关键在于引入偏振相关的相位补偿。2020 年，中国科学院上海技术物理研究所的欧凯等[113-114]创新性地提出了用于中波红外偏振探测的宽带消色差透镜型偏振分光超构表面设计方法，引入参考相位C//,⊥(ω)以提供一个额外的优化自由度。其中C//,⊥(ω)的取值取决于超构单元的色散曲线，通过定义最小误差因数以在超构单元数据库中挑拣最优单元，并在设计波段内密集采样以近似大带宽连续。由此研制的透镜型偏振分光超构表面可在3.5～5 μm 波段范围内实现恒定200 μm 焦距，如图4（d）所示，器件直径为100 μm，实验得到的聚焦效果如图4（e）所示。2021 年，华中科技大学的杨振宇课题组[115]利用线性方程拟合超构单元的相位-频率曲线，挑选拟合误差小于1%的超构单元构建结构单元数据库，从而实现在1 310～1 550 nm 波段范围内同时监测偏振轮廓和相位梯度的多维探测消色差超构透镜阵列（Achromatic Metalens Array，AMLA），如图4（f）所示。实验聚焦效果如图4（g）所示，其中会聚线偏振光的超构透镜采用消色差设计方法，会聚左旋圆偏振的超构透镜采用几何相位设计方法，这是因为几何相位原理上具有一定的消色差特性。

上述研究提出的宽带消色差透镜型偏振分光超构表面设计已初见成效，然而超构表面的尺寸与其消色差范围存在内禀的制约关系[116]，致使该类器件尺寸十分有限。为突破参量间的制约关系进而提升超构表面的综合性能，还需要对超构单元调制方式进行机理性研究。

3.2 机器学习辅助超构表面设计

尽管已有一些经典的物理模型对超构表面的工作原理作出解释，并指导超构单元的结构设计及其排列方式，然而随着人们对超构表面要求的不断提高，结构单元更加复杂、结构数量指数上升、结构分布更加任意，这些都使得严格从物理模型推导超构表面的设计方法已经不能满足人们的需求，必须借助算法来优化和设计超构表面[117]。机器学习是一种人工智能实现方法，近年来被广泛应用于工业生产、科学研究、医药诊断、经济分析等领域。其通过数据驱动的思想建模，不直接引入人为设定的规则，而是从大量数据中学习得到研究目标的规律和特征，为微纳光子学器件的结构设计提供了崭新的方向[118]。

机器学习方法可通过优化微纳光子学器件的结构排布实现器件性能的优化。2016 年，犹他大学的Menon 团队[119]基于标量衍射光学理论设计了类超构表面的可见光波段消色差多阶衍射透镜，如图5（a）（彩图见期刊电子版）所示。通过修正的二分搜索方法[120]迭代透镜的台阶深度分布，从而在权衡聚焦效率和误差的同时优化结构排布，器件在450～690 nm 范围内的横向和轴向离焦分别为1.65 μm 和73.6 μm，优化算法流程如图5（b）所示。2019 年，该团队[121]通过该算法进一步实现了长波红外波段的消色差高空间分辨率多阶衍射透镜[122]。偏振成像超构表面作为一种新兴的微纳光子学器件，为提高其光学性能并实现高效设计和快速迭代更新，研究人员将机器学习方法引入偏振成像超构表面设计中。

图5 基于机器学习的微纳光子学器件设计。（a）可见光波段消色差多阶衍射透镜[119]；（b）二分搜索算法流程[119];（c）逆向设计神经网络[124]；（d）透镜型偏振分光超构表面[124]；（e）端到端的统计机器学习框架[126]；（f）多频率点透镜型偏振分光超构表面的仿真和实验效果[126]Fig.5 Metasurface design based on machine learning.(a) Visible chromatic multilevel diffractive lens[119]; (b) flow chart of the direct binary search algorithm[119]; (c) inverse design network[124]; (d) polarization splitting metalens[124]; (e) end-toend statistical machine learning framework[126]; (f) simulated and measured results of four-frequency polarization splitting metalenses[126]

基于物理模型的超构表面设计方法首先根据器件功能的需要，计算出超构表面各点所需的振幅调制和相位突变量，通过数值仿真软件扫描超构单元结构参数，得到不同形状超构单元及其光学响应的数据库，从数据库中挑选最符合预期的结构单元。但当超构单元结构参数较多、步长划分较细时，基于全模数值仿真方法的超构表面设计周期很长[123]。2021 年，浙江大学的Gu 等[124]使用少量由数值仿真得到的结构单元-电磁响应数据集训练深度学习网络，利用训练好的网络细化参数扫描结果，输入期望的光学响应即可检索得到相应的结构单元，深度学习网络模型架构如图5（c）所示。该团队在88 分钟内获取441 组仿真数据，10 秒完成深度学习网络的训练，并即刻生成3602的结构单元-电磁响应数据集，设计效率远高于传统全模仿真方法，并基于该数据集设计了透镜型偏振分光超构表面，如图5（d）所示，其工作波长为532 nm，TE 偏振光焦距为30 μm，TM 偏振光焦距为40 μm，器件直径为20 μm。

上述逆向设计网络将电磁响应作为输入，超构单元结构参数作为输出。但由期望的相位响应找到超构单元的最优结构参数并非是一个简单的反问题，特别是在考虑多频率点和偏振的情况下。例如，对于给定的相位要求是否存在物理上可行的超构单元结构，或者如何充分利用参数空间以最优近似这样的相位要求，均是逆向设计网络需要克服的难题[125]。2022 年，浙江大学的Ma等[126]通过基于端到端的统计机器学习模型框架将超构表面的多功能复合性能推至其物理极限。该统计机器学习模型即是由前向设计网络和逆向设计网络级联而成，先由逆向设计网络根据给定电磁响应提取超构单元结构参数，再利用前向设计网络由得到的结构参数预测其电磁响应，这种级联架构相比单一的逆网络在收敛性上具有更好的表现[127]，其工作流程如图5（e）所示。基于此架构，该团队利用由3 个耦合矩形谐振器构成的超构单元实现了能在近红外波段4 个波长处进行正交偏振分束聚焦的超构表面器件，其仿真和实验效果如图5（f）所示。

尽管机器学习模型可以在海量数据的支持下不断迭代优化性能，但传统的机器学习仅适用于特定的特征空间和数据分布，针对不同任务缺乏泛化能力[128]，在物理本质相近但应用场景稍有不同的情境下即面临失效的风险。目前，超构表面设计领域的机器学习模型通常用于结构单元的尺寸优化，而难以实现其形状优化，但不同形状超构单元因具有不同的电磁耦合模式而在大带宽消色差、大入射角范围、高偏振消光比超构表面设计中起到关键作用。因此，增强机器学习模型在不同超构单元形状间的迁移能力，并使其实现多耦合结构超构单元的电磁响应预测是该领域未来需要探究的方向之一。此外，目前机器学习方法优化得到的模型参数不具备可解释性[129]，其设计结果难以帮助研究者参透器件设计的真正奥义，如果没有底层地对器件机理的深入了解，超构表面性能提升终将迎来瓶颈。因此，如何从机器学习模型中提取其物理含义或增强机器学习模型的可解释性是该领域至关重要的命题。

3.3 动态可调偏振成像超构表面

大多数超构表面的材料和结构一旦固定下来，其功能往往也是确定的。但某些应用场合要求超构表面具有焦距动态可调的能力[130]，例如：在显微成像、目标探测等领域，需要成像系统具有可调的视场范围和成像放大率[131]；在极端工作温度环境中，需要成像系统能补偿因环境温度偏离预设工作温度而导致的光学离焦[132-133]。目前，商业变焦镜头是在镜头中加入一组活动透镜实现变焦[134-135]，但其驱动机构体积庞大，致使成像系统集成困难。焦距动态可调超构透镜为集成式变焦成像系统提供了一种解决方案。

焦距动态可调超构透镜主要基于结构重组和活性材料两种方法[59]。基于结构重组的焦距动态可调超构透镜通过改变结构单元的排列、形状和方向，使得局部场态或整个系统的光学响应随之变化。结构重组通常利用柔性拉伸材料或微机电系统（MEMS）。2016 年，宾夕法尼亚大学的Ee等[136]在可拉伸聚二甲基硅烷（PDMS）基底上制备金纳米柱阵列，通过拉伸柔性基底改变金纳米单元之间的间隔，从而实现超构透镜焦距的调节。当拉伸应变为0.3 时，超构透镜的焦距从150 μm 延伸到250 μm，如图6（a）（彩图见期刊电子版）所示。由于拉伸过程中，纳米单元的间距始终保持在亚波长量级（400～520 nm），因此器件的能量透过率不会受到显著的影响。但对柔性基底拉伸实现动态可调器件的研究往往面临这样的困难：器件在长时间应力作用下发生蠕变，导致其重复性和稳定性不佳[137]。2018 年，加州理工学院Faraon 课题组[138]基于MEMS 静电驱动技术，制备了纵向间距可调的超构透镜组，如图6（b）（彩图见期刊电子版）所示。超构透镜组包含会聚透镜和发散透镜，实验测定其焦距变化范围为565～629 μm，变焦频率可达到4 kHz。

图6 焦距动态可调超构透镜。（a）基于柔性基底的动态可调超构透镜[136]；（b）纵向间距可调的超构透镜组，原理示意图（左）、器件的光学显微镜图像（右上）、两超构透镜键合示意图（右下）[138]；（c）液晶浸润实现焦点动态调制[141]；（d）基于超低损耗相变材料Sb2S3 的近红外热调控变焦超构透镜[143]；（e）环向拉伸实现焦距动态可调偏振分光超构透镜；（f）器件焦距和能量透射率随单元周期的变化曲线；（g）不同单元周期下电场能量随纵轴方向的变化曲线Fig.6 Metalens with dynamically tunable focal length.(a) Dynamically tunable metasurface based on a flexible substrate[136];(b) a group of metasurfaces with adjustable longitudinal spacing, schematic diagram (left), optical microscopy image of device (top right), illustration of the bonding of two metasurfaces (bottom right)[138]; (c) dynamically tuning the focal length through liquid crystal infiltration[141]; (d) near-infrared thermally modulated varifocal metalens based on a lowlosses phase change material Sb2S3[143]; (e) polarization splitting metalens with a dynamically tunable focal length by circumferential stretching; (f) the variation curves of focal length and transmission with unit period; (g) the variation curves of the electric field intensity with the longitudinal direction at different unit periods

基于活性材料（Active Materials，AMs）的超构透镜，将活性材料作为超构透镜的功能单元或周围环境介质的一部分，利用活性材料的光学参数可随电、磁、热等外部激励而变化的特性，实现动态调焦。典型的活性材料有液晶、半导体、相变材料、石墨烯等[139-140]。2020 年，美国凯斯西储大学的Lininger 等[141]将超构表面与液晶技术相结合，利用纳米力使液晶在这些微柱之间浸润，如图6（c）（彩图见期刊电子版）所示，从而改变超构表面的局部折射率，实现焦点位置的动态调制，但液晶浸润的方式会导致焦点半峰全宽的增大和斯特列尔比的降低。2021 年，华南师范大学的韦中超课题组[142]利用钛酸钡（BaTiO3，BTO）的光电效应，使用电压调控BTO 纳米柱的复折射率，从而改变超构透镜的相位分布，实现10～50 μm 焦距变化。同年，该课题组[143]提出一种基于超低损耗相变材料Sb2S3的近红外热调控变焦超构透镜，通过对导电层施加电流脉冲加热Sb2S3，实现其在非晶态和晶态间的可逆切换。由于Sb2S3实部折射率在晶态和非晶态之间的差异为0.6，因此可用于调控超构透镜的聚焦特性，如图6（d）（彩图见期刊电子版）所示。然而，基于活性材料的超构透镜动态调焦技术，普遍面临光学效率较低、成像质量下降、可调元素驱动条件苛刻等难题[144]。

为验证焦距动态可调超构透镜设计方法对偏振成像超构表面具有可迁移性，本文基于传输相位原理设计将正交线偏振态分束聚焦的全硅超构表面，利用有限时域差分方法（FDTD）仿真研究拉伸基底时透镜型偏振分光超构表面的聚焦特性。边界条件在轴向方向设置为理想匹配层（PML），以模拟电磁波经超构器件调控后向无穷远传输的情况，在周向方向设置为周期性边界条件，以模拟超构透镜阵列式排布，PML 轮廓设置为‘steep angle’以增强PML 边界对电磁波的吸收；光源为波长10.6 μm 沿轴向传输的平面波；监视器设置在器件近场位置，以便根据近场电磁响应推算远场电磁分布；单元周期为4.8 μm，硅柱高度为8.4 μm，设计焦距为41.2 μm，数值孔径为0.8。仿真过程中假设器件周向拉伸时硅柱应变量等同于基底应变量。水平偏振光入射该超构表面的仿真结果如图6（f）（彩图见期刊电子版）所示，当单元周期Λ 因环向拉伸从4.6 μm 变化到5.2 μm 时，其焦距从38.4 μm 增长至52.2 μm，透过率从44.2%下降至40.3%；当单元周期处于4.8 μm±0.2 μm 的工作波段内，超构表面能保持较高的聚焦效率；当单元周期大于5 μm 时，超构表面聚焦效率明显下降，如图6（g）（彩图见期刊电子版）所示。对于竖直偏振光入射也能得到如上结论，且其焦点始终与水平偏振光入射对应的焦点保持在同一焦平面上。由此可知，该透镜型偏振分光超构表面在设计周期的±5%范围内变化时，两正交线偏振态的焦距与器件应变量大致保持线性变化关系，故可利用机械拉伸实现偏振成像超构表面结构重组，从而达到焦距动态可调的目的。然而，这种直接基底拉伸的方法存在焦距动态可调范围小，拉伸过程中容易造成器件损伤等缺点，因此未来还需探究多偏振成像超构表面组或基于活性材料的偏振成像超构表面等无损调焦方法。

4 总结与展望

4.1 总 结

物体表面散射光的偏振态蕴含其形貌特征及理化特性等信息，使得偏振成像技术在目标探测、水下成像、生命科学、环境监测、三维成像等领域具有重要的应用价值。偏振分光棱镜、染料系偏振片等传统偏振器件难以满足高集成、高性能、高可靠性偏振成像系统的需求。随着微纳制造技术的发展，微纳结构偏振器件因其良好的光学性能和可靠的结构稳定性，得到科研人员的青睐。亚波长金属线栅被证实具有较宽的工作波段，能在较大的入射角范围和温度范围内具有优异的偏振性能。利用等效介质理论可以较准确解释其光学性能。较少的可调参数允许有限时域差分（FDTD）或严格耦合波分析（RCWA）方法可快速寻找到最优结构参数解，使得该类器件的设计和优化过程较为简单。纳米压印技术使得该类器件可进行批量生产[145-146]，双光束干涉曝光方法支持该类器件的快速制样[147]，因此亚波长金属线栅的产品化、系列化已较为成熟。然而，亚波长金属线栅仅利用了入射光中的TM 偏振模式，原理上存在50%的能量利用效率极限。基于亚波长金属线栅的偏振成像系统在低光能量的杂乱场景中难以达到预期的成像效果。二维超构材料，即超构表面，兼具工艺易施性和多维光场参量调控能力，可以独立调控入射光中的TM 偏振和TE 偏振分量，从而突破亚波长金属线栅的能量利用效率极限。

面向偏振成像应用的超构表面，可分为光栅型和透镜型两类，两者均可集成于偏振成像系统。为实现高能量利用效率偏振器件，超构表面单元结构从最初的等离激元结构，发展到间隙表面等离激元结构和全电介质结构。等离激元结构超构表面因其本征的欧姆损耗导致其能量利用效率不超过10%；间隙表面等离激元结构利用电介质隔层两面的表面等离激元耦合实现光场增强，但仅工作于反射模式下，且此类谐振式超构表面的工作带宽较窄[148]；全电介质结构基于几何相位和传输相位结合的光场调控原理，可实现高能量利用效率的透射式偏振器件。未来为实现偏振成像超构表面器件的产品化，还需探究宽带消色差、机器学习辅助设计、功能动态可调的偏振成像超构表面设计方法。

4.2 集成超构表面的分焦平面型偏振成像系统

2019 年，Capasso 课题组[105]搭建集成全电介质光栅型超构表面的分孔径型偏振成像系统，实现超构表面在系统集成领域的里程碑式突破。然而，分孔径型偏振成像系统将不同偏振态的图像映射到焦平面的不同区域，存在焦平面分辨率损失的缺点。此外，为解析场景偏振态，通常要求几幅图像的配准误差小于1/10 个像素[149]，这与分孔径成像系统固有的视场误差相矛盾，需要后期对图像进行配准处理。分焦平面偏振成像系统可以克服分孔径型偏振成像系统的缺点，焦平面上分像素级的互异偏振态成像，不仅允许使用插值算法恢复其图像分辨率[150-151]，而且其视场误差满足偏振态重构的需求。透镜阵列型偏振成像超构表面因具有像素级的分偏振态会聚能力，有望构建分焦平面偏振成像系统，且其能提供数倍于波长的焦距，可避免传统亚波长金属线栅与探测器复杂的对准贴装工艺。然而，器件的焦点和探测器的感光像元存在一一对应关系，对器件的位置精度提出极高要求。此外，设计焦距可能达到超构表面本身尺寸数倍，从而导致较小的数值孔径值，这减弱了器件对光的收集能力，这是另一个需要克服的难点。

4.3 高效率、大孔径超构表面加工方法

超构表面为实现产业化，通常需要根据场景定制功能，因此对其进行快速制样的加工技术必不可少。然而不同于亚波长金属线栅，超构表面的功能依赖于空间变化的结构单元形貌，这意味着需要大范围且精细的微纳特征结构加工。目前利用激光束直写、电子束光刻等逐像素的加工方式效率低下[152-153]，在整片晶圆范围内写满所需纳米尺度结构耗时较长，甚至数以天计，成本极高。那些高效率的纳米光刻方法，例如纳米压印和干涉光刻，又往往缺乏灵活性，前者是一种依赖模板图案的复制技术[146]，要求高分辨率的模板制造设备，后者通常只适用于制作大面积周期性的纳米结构[147]。因此，超构表面的产业化还需革新性的微纳加工技术支持。2022 年，香港大学的李文迪课题组[154]基于干涉光刻光强分布和光刻胶的非线性响应特点，首先通过干涉曝光得到大范围且较为均匀的纳米结构，再由灰度图案二次曝光方法分区剪裁纳米结构的特征尺寸，极大提高了空间变化纳米结构的制备效率。另一方面，由于电子束光刻或极紫外光刻等传统工艺曝光范围有限，大孔径超构表面的加工存在困难。2022 年，华中科技大学的易飞课题组[155]开发了一种“多版图拼接式投影曝光”技术，其将5cm 孔径超构透镜的图案划分成9 个部分，每个部分使用一块掩模版实现，最后拼接组合成完整的大口径超构透镜。这些加工方法可借鉴偏振成像超构表面的制造过程。

现代人生活在信息时代，信息本身是生产力的重要代表，是智能化的必要前提。偏振信息作为光波信息的另一种维度，其蕴含的无与伦比的信息量有望为军事和民生领域带来天翻地覆的变革，为第四次工业革命提供重要发力点。超构表面作为新型微纳结构光场调控器件，具有灵活可控的光场调控优势，有望实现功能性更强、适应性更广、集成度更高的微小型偏振成像系统，从而助力城市及工业的信息化发展。