超透镜技术

超透镜（Metalenses）是使用超表面来聚焦光线的平面透镜。超表面是一系列人工天线，可操纵入射光的光学响应，包括其幅度相位和偏振。超透镜技术为镜头提供了一系列新的轻量化设计选项，而且表面的平坦特性还有助于避免传统曲面镜头中常见的图像变形失真的问题。

超透镜的优点

大多数传统的透镜设计使用凸面或凹面形状来聚焦或扩展入射光束。虽然可以在光轴上实现近乎理想的聚焦，但所得图像可能会因穿过透镜其他区域的光而失真。图像角落的桶形和枕形失真是最常见的一些。

校正镜头像差通常意味着创建定制镜头或多个光学组件，这会增加设备的重量和体积。如果设备需要改变焦点位置或平移光束，则还需要移动透镜组，这可能会进一步导致系统不稳定。

衍射透镜与传统透镜设计相比具有一些优势，因为它们是扁平的并且相对容易以低成本制造。然而，这些镜头的显着缺点之一是存在高阶衍射光线，从而限制了可以实现的图像质量，尤其是在高精度的成像领域。

相比之下，超透镜的设计更加灵活，并且不会出现透射图像中存在更高衍射级的相同问题。目前研究人员都聚焦于为超透镜研发更多的新型表面，这些表面将允许平面透镜改变其聚焦位置，而无需物理改变光学系统中任何组件的位置。许多光学系统由于需要运动光学组件而存在不稳定问题，这限制了它们在手持设备或车载自动驾驶汽车等移动领域的应用。超透镜可能是一个非常方便实际的解决方案。

表面结构

超透镜有两种主要的超表面结构——电介质或等离子体。

介电材料用于许多标准光学元件，还可以制备产生亚波长散射的超表面。如果需要，介电材料可用于在入射光脉冲中引入相位延迟，现在有些介电材料还可用于创建无像差、衍射限制、偏振无关的聚焦，并且其可在广泛的带宽范围内工作。

等离子体激元材料有利于电磁辐射的振幅整形，并且可以在很宽的波长范围内使用。材料中的等离激元模式定义明确，可用于制造透镜，并且各种改性（例如添加层以滤除更高阶等离激元模式）也有助于提高最终元透镜的效率。

在设计超透镜时，必须考虑表面散射点的几何形状。每个元单元都会影响电磁辐射的特性，必须仔细设计以避免传统的镜头问题。

已经有短波长光刻装置利用超透镜可实现的亚衍射聚焦来提高仪器的空间分辨率。然而，制造超透镜以照亮更大的区域并提高许多超透镜光学器件的效率仍然存在一些挑战。

超透镜的未来

超透镜在单个光学元件中执行复杂波前工程的潜力对于一系列应用非常有吸引力。其使得设备小型化、并提高了光学稳定性和实现比传统镜头更好的聚焦质量，是替代传统透镜的理想选择。

然而，超透镜的制造并非易事，因为需要以高精度设计微小结构以在超表面上产生所需的聚焦或其它特定行为。

目前，经济高效地制造超透镜仍然是一项重大挑战。仍然需要对适合用作超表面的新材料进行大量研究。

尽管制造面临挑战，但随着设计技术和工艺水平的进步，新的工具不断涌现，商业化的批量制造应该不难攻克。超透镜在过去几年中取得了快速进展，证明它们可用于控制光的基本特性，特别是亚波长结构被称赞为有可能带来“工程光学2.0”的新革命。

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