光学超构表面的历史、未来及挑战

近期，ACS Photonics期刊的主编Romain Quidant教授（苏黎世联邦理工学院）与哈佛大学的Federico Capasso教授进行了对话，双方讨论了超构表面（Metasurface）的历史、未来的发展轨迹及其所面临的挑战。以下为麦姆斯咨询编译的访谈内容。

Romain Quidant (R.Q.)：Federico Capasso教授，非常感谢您抽出时间参加这次采访。最近，ACS Photonics期刊发布了首份超构表面路线图（DOI: 10.1021/acsphotonics.3c00457），作为这一开创性领域的著名先驱和推动者，我们很高兴有机会与您交谈。我们渴望深入研究超构表面的历史、您对其未来发展轨迹的见解，以及在这个快速发展的领域中所面临的挑战。

图1 哈佛大学教授Federico Capasso

图2 光学超构表面路线图（DOI: 10.1021/acsphotonics.3c00457）

R.Q.：在您的职业生涯中，您一直在研究各种课题，我很想知道您是如何开始研究超构表面的？

Federico Capasso (F.C.)：这是一个有趣的偶然事件。我当时正在与Jim Anderson合作。他是一位著名的大气化学家，为控制臭氧空洞的《蒙特利尔议定书》做出了重大贡献。从贝尔实验室开始，我就一直和他合作。他利用我们的量子级联激光器（QCL）进行化学传感，通过吸收“指纹”识别微小浓度的气体分子。多年来，他一直对检测甲烷这种与气候变化有关的温室气体抱有浓厚的兴趣。

具有军事经验的飞行员可以驾驶小型飞机飞到距地面几米的地方来探测大气中的甲烷。但有一次他告诉我，他想开始使用无人机，因为那些低空飞行对飞行员来说太危险了，而无人机可以更接近地面，也可以在极地苔原等不透水、难以进入的地区飞行。但他解释说，无人机内没有足够的空间，这就需要摆脱体积庞大的透镜。所以，我记得我和我的一位博士后（现在是哥伦比亚大学教授）Nanfang Yu一起，我们想知道，我们怎样才能做到这一点？我们认为可以使用准直器来补偿量子级联激光器的高发散性。因此，我们设计并构思了一种在量子级联激光器面上制造的平面金属准直透镜，能够减少光束发散（Yu and Capasso. J. Opt. Soc. Am. B 2010, 27, 18–35）。然后Jim和我写了一份提案，但很快就被否决了。这种情况经常发生在创新的想法中。后来我们发表了几篇论文，但我又想：为什么不制造一个单独的平面聚焦透镜来成像呢？这就是开始。这是一位伟大同事提出的一个伟大问题和我们自己的一些想法的结合。

最初，我们开始研究金属材料。在最初的等离子体准直器之后，我们开始研究反射和折射的广义定律（Yu et al. Science 2011, 334, 333–337）。一年后，我们报道了第一个真正的平面透镜（Aieta et al. Nano Letters 2012, 12, 4932–4936），但其效率很低。从那时起，我们决定从金属材料转向介质材料，就是我们在2016年发表的Science期刊论文（Khorasaninejad et al. Science 2016, 352, 1190–1194）。这也是我创办Metalenz公司的时刻。然后我们意识到，如果我们能够证明超构透镜（Metalens）可以通过深紫外（DUV）光刻（用于芯片制造的半导体平台）来制造，这将为智能手机等大批量消费电子产品应用的光学元件奠定新的范式。当我们使用i-line和DUV光刻演示超构透镜时，这一愿景开始变成现实（She et al. Optics Express 2018, 26, 1573–1585；Park et al. Nano Letters 2019, 19, 8673–8682）。在后一篇论文的支持信息部分，我们将自己的透镜的衍射极限性能与旨在抑制球面像差的非球面商用透镜进行了比较，结果我们获得了更清晰的聚焦，以及更轻、更薄的透镜和更简单的制造工艺。而制造非球面透镜需要使用重量和成本都很高的专用机器以精确地实现特定的相位分布。

图3 二氧化钛超构透镜（DOI: 10.1126/science.aaf6644）

图4 DUV光刻制造的超构透镜及其性能（DOI: 10.1021/acs.nanolett.9b03333）

R.Q.：这是一个很棒的故事。这表明与来自不同领域的同事交流是多么重要。

F.C.：当然。这是贝尔实验室的伟大之处。在贝尔实验室，虽然拥有各个领域的专家，但这还不够；你必须激励自己花一些时间去参加研讨会、与人交流等等。否则，你就无法利用这个绝佳的机会。

R.Q.：从您今天的角度来看，超构表面在多大程度上增强了我们对光的操控，是否远远超出了20世纪90年代早期在衍射平面光学方面所做的努力？

F.C.：20世纪90年代衍射光学界的一些研究成果为当今的平面光学奠定了基础，特别是Craighead（Chen et al. Optics Letters 1996, 2, 177–179）和Lalanne（Lalanne et al. J. Opt. Soc. Am. A 1999, 16, 1143）等人的研究成果。以我今天的角度来看，平面光学为这些早期成果带来的是色散工程。事实上，平面光学器件能够精确调控亚波长范围内的电磁场的振幅、相位和偏振等。这种调控水平能够解决衍射光学的局限性，并实现具有像差校正（包括三阶和色差校正）的衍射受限透镜。已实现的亚波长调控的另一个很好的例子是偏振工程。事实上，无需使用双折射材料的传统偏振光学器件，您就可以制造出支持复杂偏振态的组件，这一点确实很重要。我们意识到，如果想要实现偏振调控，现有的理论（即傅立叶光学）是不适用的。因为当您对平面波进行傅立叶展开时，这些系数是标量。

我和我的学生Noah Rubin（即将成为加州大学圣地亚哥分校的教授）很早就认识到，我们需要广义傅里叶光学理论。因此，我们联系了傅立叶光学之父Joe Goodman。当时他是谷歌（Google）的顾问。我们只是抛出了一些想法。你觉得怎么样？他说，我不知道该怎么做，但请继续尝试吧。我们的论文（Rubin et al. Science 2019, 365, eaax1839）表明，存在一个系数是超构表面级别Jones矩阵的傅里叶变换的傅里叶展开。这使得传感器平面上波的偏振调控成为可能。基于这一进展，我们演示了一种仅使用超构表面和准直透镜的偏振相机，它可以在一次拍摄中捕获来自场景每个点的光的偏振（Rubin et al. Science 2019, 365, eaax1839），与商用偏振相机相比，复杂性更低、体积更小。矩阵傅里叶光学在概念上是新的。正如Noah Rubin和Aun Zaidi（我的另一个之前的学生）最近所展示的那样，它为根据入射偏振来实现和调控全息图提供了绝佳的机会（Rubin et al. Science Advances 2021, 7, eabg7488）。

图5 基于超构表面的偏振相机及成像效果（DOI: 10.1126/science.aax1839）

R.Q.：超构表面领域的发展是否超出了您最初的预期？

F.C.：我没想到该领域会在这么短的时间内发展得这么快。当我们开始时，我知道创建一家公司是正确的选择。我的学生Rob Devlin开发了二氧化钛超构透镜的制造工艺，他作为联合创始人加入了我的公司团队，现在他是Metalenz的首席执行官（CEO）！我们找到了一些投资者，但后来我们的公司差点就倒闭了！一位对我们深信不疑的投资者使公司起死回生。现在我们的超构透镜将用于智能手机上！事实上，最大的新闻是Metalenz和主要半导体代工厂之一的联合电子公司（UMC）最近达成的协议，基本上是将半导体加工应用于我们的超构透镜的量产。这在技术上是革命性的，改变了之前的游戏规则。到目前为止，在从智能手机到笔记本电脑等各种设备的所有摄像头模组中，存在两种技术：用于芯片的半导体技术和用于透镜的塑料成型技术。从现在开始，基于DUV光刻的技术将可被同时用于光学器件和芯片制造。

图6 Metalenz联合UMC将超构透镜推向市场

这是可以预见的吗？几年前，我确实看到了这种融合的潜力，但现在，它基本上已经成为了现实。在如此短的时间内这是一个大新闻。我们的公司Metalenz是2016年创办的，现在还不到10年。这是一个令人印象深刻的记录。

R.Q.：您认为超构表面领域未来的主要发展方向是什么？

F.C.：ACS Photonics期刊发布的超构表面路线图中概述了其中一些内容，例如，在量子光学领域，我们还想知道是否可以做类似广义Hong-Ou-Mandel实验的研究，在该实验中我们可以观察预先选择的衍射级之间的光子相关性，基本上是纠缠态。你可以做一些有趣的研究。到目前为止纯粹是科学研究价值，但未来谁知道呢？

不仅在横向平面上，而且在沿着传播方向对光进行结构化正迅速成为一个令人兴奋的研究方向。例如，人们能够设计出沿着光轴附近的传播方向产生涡旋演化的超构表面，正如我的团队中的博士后Ahmed Dorrah所展示的那样（Dorrah et al. Nature Communications 2021, 12, 6249）。一个同样有趣且发展迅速的领域是我所说的“结构暗场”（structured dark），即设计空间区域（称为奇点）的能力，在这些区域中，光强度为零且相位不确定。光学涡旋的轴是一维的例子。我的前研究生Daniel Lim演示了以心形表面形式创建二维奇点的超构表面（Lim et al. Nature Communications 2021, 12, 4190）。

图7 心形相位奇异超构表面及其表征（DOI: 10.1038/s41467-021-24493-y）

可调谐性仍然很有趣，但我们需要做更多的研究。例如，我们最近开始了将空间光调制器（SLM）与超构表面相结合的研究工作。SLM是可调谐元件，可以与超构表面级联。在这一领域，我们有许多非常有趣的想法。

混合超构表面为可调谐性提供了重要机会。Cristina Benea Chelmus现任瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）教授，她制造了一种硅纳米柱涂覆聚合物的可调谐超构表面，具有创纪录的高电光系数，并展示了在电信波长下的GHz快速调制器（Ileana-Cristina Benea-Chelmus et al. Nature Communications 2022, 13, 3170）。

图8 基于和硅-有机超构表面的GHz电光调制器（DOI: 10.1038/s41467-022-30451-z）

这让我想到了另一个重要的问题。当我开始研究量子级联激光器（QCL）时，我想到我必须使用人们已经非常了解的材料。因为如果我们必须从头发明概念和材料，那么开发工作可能需要10年，有时甚至20年！我于70年代中期来到贝尔实验室，开始与Al Cho一起共事，他在20世纪60年代末开创了分子束外延（MBE）。20世纪80年代，他正在开发高质量的砷化铝铟和砷化镓铟。当我看到这些材料具有良好的隧穿共振特性时，我认为这是制造量子级联激光器的正确方法。我选择了这些材料，这比尝试使用砷化镓/砷化铝镓要好得多，虽然后者也有效，但带来了额外的挑战。同样的事情也适用于超构表面。我总是告诉自己和我的员工，如果我们想在设计层面进行创新，就让我们尝试使用人们熟知的材料，如非晶硅、硅、玻璃和二氧化钛等；否则，问题就会变得过于复杂。

R.Q.：那么，您是否认为，现在我们对超构表面有了更好的了解，是时候探索替代材料了吗？

F.C.：可能是这样。有一些非常有趣的材料，例如复合氧化物。事实上，我们有一个关于钛酸钡的项目，它的电光系数非常大，我相信是铌酸锂的20倍。我们正在与德克萨斯大学（University of Texas）的Alex Demkov教授的团队合作，他是这方面的先驱。虽然目前还没有达到与铌酸锂竞争的阶段，但肯定已经到了尝试制造一些相关器件和一些有趣的非线性光学器件的阶段。另一种可能是氧化铪。

R.Q.：最大限度地提高超构光学（Meta-optics）在市场中的渗透率所面临的主要挑战有哪些？

F.C.：一项有待解决的挑战是制造大尺寸且无色差的宽带超构透镜。我们已经制造了一个几毫米的超构透镜，利用逆向设计来校正RGB的色差，观察到RGB的焦点基本一致，误差在百分之几以内。虽然实际应用尚未实现，但我不认为它的兴起会颠覆所有。

让我明确地说，折射光学元件将永远存在。如果说我们要更换所有折射光学器件，那就太愚蠢了。折射光学元件将在显微镜以及许多其它领域保有应用。事实上，我们曾与蔡司（Zeiss）合作，对我们的超构透镜像差进行了一项非常好的研究。我知道折射光学元件具有持久力，可能是永远的。但我预计，超构光学将占据越来越大的领域。

扩展到大尺寸也是一个有趣的问题。我们刚刚在ACS Nano期刊上发表了一篇论文（Park et al. ACS Nano 2024, 18, 3187–3198），研究了由玻璃制成的直径10 cm的超构透镜。这是著名的美国国防部资助机构DARPA三年前给我的挑战。他们要求我制造尽可能大的超构透镜，并给了我们一年半的时间。刚刚获得博士学位的优秀学生Joon Suh Park取得了成功！虽然，该超构透镜是单色的，但我们做了一些非常有趣的事情。我们将它安装在建筑物顶部的望远镜上来观察星云。利用超构透镜获得了非常好的恒星和星云的图片。该超构透镜与您可以购买的业余望远镜的传统折射光学器件的效果相当。我认为考虑更大得多的超构透镜是不现实的，但谁知道呢？

图9 直径100 mm的超构透镜（DOI: 10.1021/acsnano.3c09462）

最近，我们还探索了XUV区域。我团队的博士后Maryna Meretska在XUV（50 nm波长）区域制造了一种透射超构透镜，这是一种真正的纳米制造杰作，我们在几个月前发表了介绍这一成果的论文（Ossiander et al. Science 2023, 380, 59–63），并与格拉茨大学（University of Gratz）的Martin Schultze教授合作对其进行了高次谐波产生测试。Martin Schultze曾是Ferenc Krausz的学生，后者是今年阿秒（attosecond）科学领域三位诺贝尔物理学奖获得者之一。新的杰作是一种用孔代替柱作为聚焦元件的超构透镜，因为在这个波长区域，硅的折射率小于1。那么，实际上起到引导作用的是真空，这是我的前博士后Marcus Ossiander的一个聪明想法。我们称它们为真空引导的超构透镜，它涉及一个非常有趣的物理学问题。

图10 真空引导的XUV超构透镜（DOI: 10.1126/science.adg6881）

也许这种超构透镜也将成为一项实用的技术，因为XUV中没有透射光学器件，只有反射镜和菲涅尔波带片。然而，菲涅尔波带片的焦点相当混乱。有很多东西是你不想要的。因此，透射式XUV透镜也许有潜力，至少在科学上是有潜力的。我们对继续进行这种合作感到非常兴奋。

R.Q.：如今，超构透镜最有前景的应用是什么？

F.C.：如果从摄像头模组的角度来看，就会发现超构透镜在设计方面具有优势。例如，从根本上讲，像差校正肯定更直接，原因我之前提到过。Metalenz销售的超构透镜针对传感应用（包括深度和面部）的单一波长进行了优化。尽管我们还没有可以商业化生产的尺寸大于几百微米的宽带超构透镜，但与使用不同材料的多个体型折射透镜相比，您可以使用单个光学元件来制造它们，这从根本上来说是一个巨大的优势。Metalenz是一家无晶圆厂（fabless）公司：它设计摄像头模组，然后由主要半导体公司使用由非晶硅超构透镜和光圈构成的单个光学元件进行制造。这就是校正球差、慧差、散光等三阶像差所需的全部！这是一种重大的突破！

当然，这些应用的另一个优势是平整度和重量。平整度很重要，因为在摄像头模组中，传感器通常需要与四个塑料透镜非常仔细地对齐，这是由高度专业化的公司执行的任务。由制造传感器芯片的同一代工厂制造的超构光学器件的重量和厚度更小，并且易于对准，是降低摄像头模组成本的一个重要因素。尽管摄像头模组是大批量产品，但如果使用超构光学技术，它们可以以更高的利润出售。

当前的挑战是最大限度地提高超构透镜的聚焦效率。由于具有衍射特性，它们无法实现与折射光学元件接近一致的效率，但通过适当的设计，它们在设计波长（例如非晶硅的940 nm）下可以达到90%以上的效率。在不产生色差的情况下，要在毫米级和更大尺寸的宽带和RGB超构透镜中实现与折射透镜相当的效率是一大挑战，这将需要逆向设计和机器学习。但应用场景决定了所需的性能。

R.Q.：其它应用领域呢？内窥镜检查和生物医学成像也会受益于超构透镜吗？

F.C.：我们与马萨诸塞州总医院（MGH）的Melissa Suter教授团队合作开展了一个项目，他们将我们的非晶硅近红外透镜集成到他们的光学相干断层扫描仪（OCT）中，以对早期阶段的尺寸与波长相当的支气管肿瘤进行成像。

对了，还有我以前的博士后Reza Khorazani，他是2017年论文的第一作者，他拥有一家名为Leadoptik的公司，该公司正在将用于微创手术的微型成像仪器商业化。

另一个重要领域是汽车市场。汽车现在配备了众多的传感器来监控各种情况：检测您是否在睡觉、观察后方等等。这些传感器的供应商正在努力提高性能并减少SWaP（尺寸、重量和功耗），这是一个流行词，指的是减小设备的整体尺寸和重量，同时提高其效率并降低总体体积。这个市场正蓄势待发，在这种背景下，最近我们与UMC的量产合作可以为Metalenz带来重大机遇。

我们申请了很多专利，并授权给Metalenz。因此，我们拥有非常强大的知识产权（IP）地位。然而，这种优势从来都不是绝对的，因为其它公司可以通过各种竞争手段来试图绕过这些专利。

R.Q.：最终，许多这些不同的应用都可以看作是在无人机上集成紧凑和轻质光学器件的原始理念的一种广义化，不是吗？

F.C.：绝对正确。我的意思是，无人机仍然是一个非常相关的应用。我必须告诉你，我们在美国宇航局（NASA）支持下，在紧凑型偏振敏感相机方面有两项重大合作。一项在地球科学领域，另一项在太阳物理学领域。事实上，我们现在正在研究的是一种完全平面的偏振敏感相机。偏振灵敏度可以让您看到场景中原本看不见的细节。如果从偏振方位角的角度观察场景，您会看到标准图像中看不到的信息，包括更大的深度。

与现有的索尼偏振相机相比，我们的超构透镜相机更具优势。索尼的相机只能观察线偏振，而我们的相机还能检测圆偏振。如果光从胶体多次散射，就会产生圆偏振。地球科学的一个应用是研究云层，这在气候研究的全局中非常重要。

我们的相机也与太阳物理学有关，用来跟踪特定的原子跃迁，因为太阳磁场的作用，这些跃迁会产生圆偏振光，这是研究日光层的一个很好的标志。

R.Q.：看到超构光学在基础研究和消费市场应用等不同方向上的发展是多么令人兴奋啊！

F.C.：当然，我预计在这两个方面都会发生许多令人兴奋的新进展，因为超构光学能够通过设计和调控振幅、相位和偏振等，以基本上任意方式实现波前调控。由于色散工程，超构光学有望创建一种在折射和标准衍射光学方面无可比拟的新型光学元件，特别是在使用超构表面实现的结构双折射的偏振调控领域和全息术领域。我还看到了未来在实现超越空间光调制器能力的电气和光学新调谐模式方面的巨大创新机会。由于超构表面的出现，结构光/暗场和量子技术的前景将继续扩展。在这里，我预见到，将能够产生奇异量子态的二维材料与超构表面提供的波前调控相结合，将引发基于光与物质之间强耦合的新现象和新器件的发现。未来确实看起来非常光明！

R.Q.：非常感谢您分享观点和见解。

原文链接：
https://doi.org/10.1021/acsphotonics.4c00122