什么是超表面 (Metasurface)？

光学超表面是一类革命性的材料，专门用于在纳米尺度上操控光波。通过设计和制造亚波长尺度的人造纳米结构，超表面能够精确控制光波的幅度、相位和偏振。与传统光学器件相比，超表面不仅功能强大，还显著缩小了光学器件的体积。超透镜（Metalens）是超表面技术的典型应用之一。在任何需要减小系统中光学元件的尺寸和重量的情况下，超透镜都有用武之地。其中包括用于自动驾驶汽车和面部识别系统中的3D传感的激光雷达；内窥镜和显微镜等医疗设备；红外和机器视觉摄像头等监控系统；手机摄像头、CMOS图像传感器及AR/VR设备等显示和成像系统；以及全息图。

超透镜现存的挑战与制造难度

由于超透镜的纳米结构和亚波长的工作方式，其在研发，制造和检测过程中的光学计量面临独特的挑战。传统的低分辨率技术很难准确测量超透镜的复杂特征。为了达到亚波长的分辨率，必须采用特殊的技术，如电子显微镜或扫描探针显微镜。此外，超透镜的制造公差也会影响其性能，因此精确的表征对于评估其表现至关重要。

超透镜对偏振的敏感性进一步增加了计量的难度，因此需要针对不同的偏振状态进行测量。为了实现多光谱性能，还必须采用具有高光谱分辨率的先进技术。此外，精确分析波前对于评估超透镜的波前整形能力至关重要。与此同时，环境的稳定性测试也是必不可少的，以确保超透镜的性能表现始终如一。

针对这些挑战，目前Phasics已经推出了综合解决方案，能够同时应对超透镜的偏振敏感性、多光谱性能、高精度波前分析以及环境稳定性等多方面的需求。

Phasics针对超透镜的解决方案

Phasics sC8搭载显微镜测量场景

Phasics的四波横向剪切干涉技术，能针对性的对超透镜进行光学表征以提供对应解决方案，并满足:

- 亚波长空间尺度下的高精度测量：Phasics的波前传感器不仅具备优于2nm RMS的光程差测量精度，还采用了便捷的C端接口设计，能够直接连接显微镜，实现即插即用的快速安装和亚波长级别的空间分辨率。

- 偏振无关性：Phasics的波前传感器支持全面的偏振测量，能够精确分析超表面在不同偏振状态下的光学响应，从而更好地评估器件的实际性能。

- 多光谱测量能力：其产品能够在多个波长范围内进行高精度测量，确保超透镜在多光谱应用中的性能表现。

- 环境稳定性：Phasics的传感器能够在不稳定的环境条件下保持精确测量，消除环境影响对测量结果的干扰，确保数据可靠性。

通过Phasics的先进测量技术，研究人员能够全面应对超透镜和超表面技术在计量领域中的各种难题，推动这些革命性技术在成像、激光系统和光学计算等领域的广泛应用。

如何使用phasics传感器测量?

Phasics超表面测量光路搭建

在下图1这个例子中，超表面的简单相位偏移得到了测量。Phasics的高精度波前传感器，能够检测到因生产误差所引起的局部相位缺陷，从而可以帮助制造工艺的评估和调整，保证超表面的生产质量。

图1:  基于四波横向剪切干涉法的超表面光学表征

 法国CNRS CRHEA 实验室, S. Khadir - arXiv:2008.11369v1

下图2描述了对一个Pancharatnam-Berry (PB) 超透镜使用了两种不同的圆偏振态进行测量：右旋和左旋。根据设计，当改变偏振状态时，该超透镜会生成正透镜或负透镜。

图2: 左侧显示波前曲率的相位图，右侧是其相应的曲线轮廓。中间相位图谱展示在滤掉波前曲率后残余的波前误差。

Phasics的QWLSI技术不会受到偏振的影响，因此在从右旋圆偏振切换到左旋圆偏振时，我们的设备仍然可以对波前进行详细表征。图2展示了波前曲率的变化。此外，可以通过滤掉主要的波前曲率来揭示残余波前误差，这些误差反映了更高空间频率的缺陷（见图2中间的左侧相位图）。

图3：上侧为在设计波长544nm下测量的PB超透镜，下侧为在633nm下测量的相同超透镜。在减去波前曲率后，显示出在设计波长下测量的残余误差较低。

在图3中，我们对同一个PB超透镜在两种不同的波长下进行了测量：544nm（其设计波长）和633nm。Phasics技术具有自消色差的特性，可以在传感器模型的灵敏度范围内对任意波长进行测量。

测量结果显示，当超透镜在其设计的波长下使用时，产生的高空间频率波前误差较少。

图4：PB金属透镜的测量。左侧为强度图像和总波前图，右侧通过滤波波前曲率（或泽尼克离焦项）揭示了其他光学像差。底部的柱状图显示了主要的低阶泽尼克像差。根据强度图和波前图生成了超透镜的点扩散函数（PSF），并计算了调制传递函数（MTF）（右下角的图像和图表）。

在图4中，我们对一个PB金属透镜进行了测量。Phasics的SID4-HR波前传感器的高动态范围能够同时捕捉主要波前曲率，并通过像差过滤显示所需要的光学像差。

该样品表现出45度的散光作为主要的泽尼克光学像差。通过使用强度图和波前图，Phasics技术能够实时计算超透镜的点扩散函数（PSF）、二维光学传递函数（OTF）以及调制传递函数（MTF）。

通过精确测量波前并将其与制造样品的设计理论进行比较，Phasics能够帮助表征制造过程，确保实现预期的光学功能。此外，Phasics的计量解决方案能够通过经典的光学像差（如泽尼克系数）、调制传递函数（MTF）、点扩散函数（PSF）以及总波前误差图提供对超透镜的全面光学性能表征。重要的是，这些测量均能实时进行，且仅需单次测量即可完成。

Phasics技术凭借其出色的鲁棒性和易于集成的特点，成为实际应用中的理想选择。由于其外形设计类似于科学相机且对振动不敏感，Phasics技术可以实现原位测量，极大地贴近超表面的生产环境，简化了计量过程。

针对超表面的测量与表征需求，我们推荐Phasics的SID4 - sC8和SID4 - HR两款定量相位成像相机。如果您有任何疑问，欢迎咨询。

SID4 - HR 定量相位成像相机

SID4 - sC8 定量相位成像相机

更多产品参数请参考：

https://www.eachwave.com/Product/Laser%20diagnostics%20components/wavefront%20sensor/

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