超构光子产业化：无法测量就无法改进

李涛教授表示：

颠覆传统光学的新型成像架构在研究者的持续努力下日臻成熟，越来越多的创新企业正加入超构表面光学的变革性应用之中，各种新场景、新构型层出不穷，加速从实验室到量产的进程已成为行业共识。伟大的科学家开尔文爵士曾说过：“无法测量就无法改进”，发展测量技术成为打通超构表面光学元件从设计到量产的关键一环。

测量对集成电路的发展至关重要。由于晶体管的形貌直接影响器件的半导体特性，因此对形貌的微观量测（Metrology）成为集成电路制造的关键工艺。然而与集成电路芯片不同的是，超构表面光学器件的局域结构变化并不造成器件光学性能的全局影响，仅观察器件的微观形貌不足以反映其质量，这在引入拓扑光子结构之后尤为如此。2021年，一篇发表于 Light: Science & Application，题为 Phase characterisation of metalenses 的研究论文表明，相位分布才是反映超构透镜光学性能的本质属性，通过测量相位，能够从全局上表征器件的光学性能，从而为设计优化与工艺改进提供直接反馈。

让我们通过一个例子来探讨这一问题。两个超构透镜样品 Metalens A（简称A）和 Metalens B（简称B），我们利用扫描电子显微镜（SEM）对二者进行了微纳结构的测量，如图2所示。从 SEM 图可以看出，A样品局部的纳米柱子形状相互连接，呈现出不规则的形状，而B样品的纳米柱子相对独立，形状较为完整。从 SEM 的结果来看，B似乎更优，但在光学性能方面的二者具体表现如何，以及如何进一步优化，这些问题仅通过 SEM 的结果无法直接解答，我们需要深入研究它们的内在光学属性。

接下来，我们测量了这两个超构透镜样品调控的相位分布，如图4所示。从结果我们不难发现，无论是A还是B，其相位都呈现出圆环状分布，但值得注意的是，A的相位分布中缺陷相对较多。通过与理想超构透镜相比（图4），我们可以明显看出，A的相位分布梯度不够明显，相位范围也未覆盖 2π，而B的相位范围覆盖了 -π 到 π，且相位梯度更为明显，说明B的性能比A更优。

MetronLens® 超构透镜光学检测系统， 深刻揭示了超构表面、超构透镜、微透镜阵列等平面光学元件的内在物理特性，为验证设计的准确性、制备加工工艺的优化提供了强有力的检测工具。

图8：多类型超构透镜样品的快速检测‍‍

图9：相位分布的3D展示

图10：相位解包裹的3D展示

推荐阅读：

[1]  Zhao M, Chen M K, Zhuang Z P, et al. Phase characterisation of metalenses[J]. Light: Science & Applications, 2021, 10(1): 52.

[2]  Li T, Chen C, Xiao X, et al. Revolutionary meta-imaging: from superlens to metalens[J]. Photon. Insights, 2023, 2: R01.

[3]  Chen M K, Liu X, Wu Y, et al. A meta‐device for intelligent depth perception[J]. Advanced Materials, 2023, 35(34): 2107465.

[4]  Khorasaninejad M, Chen W T, Devlin R C, et al. Metalenses at visible wavelengths: Diffraction-limited focusing and subwavelength resolution imaging[J]. Science, 2016, 352(6290): 1190-1194.

[5]  Shen Z, Zhao F, Jin C, et al. Monocular metasurface camera for passive single-shot 4D imaging[J]. Nature Communications, 2023, 14(1): 1035.