基于超色散机理的超构表面光谱成像研究

　　和空间信息相结合的技术，光谱成像在科学研究和工程应用中受到了广泛的关注。设计优化具有亚波长尺度特征的超构表面可以对光场进行高效地调制。

　　据麦姆斯咨询报道，近期，学物理学院的科研团队在《光电工程》期刊上发表了以“基于超构表面的光谱成像及应用研究进展”为主题的文章。该文章第一作者为万源庆，通讯作者为王漱明教授，主要从事微纳光学、量子光学、超构表面设计和成像技术等方面的研究。

　　本文首先基于不同原理从超色散、窄带滤波和宽带滤波这三个方面重点介绍了多种机理的超构表面光谱成像，然后回顾了基于超构表面光谱成像的应用。最后，对目前超构表面光谱成像工作进行了总结并对未来发展方向进行了展望。

　　对于一般的具有固有折射率色散的光学介质材料，不同波长的光对应有不同的光学响应。在超色散材料中，光的传播速度和折射率会随着频率发生更加急剧的变化，这种特性使光的散射得到增强，一方面这会极大降低如通信检测、成像等全彩光学应用的性能，对此有很多科研人员进行了消色差的研究；另一方面利用这种超色散机制并加以调控，可以使超构表面在彩色成像或光谱层析分析等领域展现出优良的应用潜力。

　　传统的彩色图像传感器通常用彩色滤光片获得不同的颜色，然而随着图像传感器的尺寸变得更小，每个像素接收到的光也变得更少，导致光的利用率降低。Nishiwaki等提出采用一种折射率比周围材料更高的透明介质微型板状结构来诱导光的偏转，以达到分光的目的。如图1（a）所示，这种结构包含对称偏转器和非对称偏转器，当光进入结构时，通过偏转器传播的光和没有通过偏转器传播的光之间会产生相位差δ，δ与波长之间存在依赖关系，因此偏转光的传播方向随波长的变化而变化。2015年，Li等基于广义斯涅尔定律用一种由梯形纳米柱组成的平面超构表面演示了在可见光范围内把不同波长的光分开的过程。当光入射并沿短宽度激发时，30 ~ 150 nm宽的梯形纳米柱显示出接近统一的反射振幅和剧烈的界面相移。梯形纳米柱的高度约为波长的1/20，因此可以忽略这种非均匀介质中光传播路径上的相位积累，即总相位不连续只是由超薄的超构表面引起的。他们在实验上表征了这种异常反射，如图1（b）所示，有三种反射光束模式，m=−1时是一阶衍射模式，m=0时是正常反射模式，m=1时是异常反射模式，异常反射的光强最强，有利于增大光的利用率。

　　图1 （a）对称偏转器和非对称偏转器的结构示意图；（b）异常反射的实验表征设置和实际拍摄图片

　　除了上述基于异常反射的分光外，Capasso小组提出的离轴超构透镜也被证明可以在高光谱分辨率的情况下同时聚焦或分散不同波长的光。根据上述原理他们先设计了一个可以将光以80°角聚焦的超构透镜，由于大角度聚焦，超构透镜具有超色散特性（0.27 nm/mrad），在电信区域的波长差异分辨率高至200 pm，图2（b）是演示的一个较为集成的方案，将多个离轴超构透镜集成在一个平面基板上，通过与CMOS相机相结合可以实现一个同时具有聚焦和超色散特性的紧凑型光谱仪，光谱分辨率最优为0.3 nm，总工作波长范围超过170 nm，光束传播长度只有几厘米，并且还具有在一次测量中分辨不同螺旋度光的能力。然后他们提出了一种由亚波长TiO₂纳米柱组成的经过像差矫正后的离轴超构透镜，通过设计相位及其相对于频率的高阶导数，在宽带带宽上保持焦点轮廓，焦点沿平面分布并且位置与频率呈线性关系。最后他们演示了在近200 nm的可见光谱范围内的最小焦点展宽，图2（c）是经过像差矫正和没有经过像差矫正的最小焦点展宽对比图。这一系列的工作都明确地显示了基于该技术制作的超构透镜具有替代传统光谱仪成为新一代小型光谱仪的潜力。

　　图2 离轴超构透镜。（a）显示坐标的超构透镜示意图，聚焦线沿x′轴（垂直于聚焦轴）的位移作为波长的函数；（b）由超构透镜和CMOS相机组成的紧凑光谱仪；（c）像差校正超构透镜和贝里相位透镜的实验表征；（d）光谱范围和光谱分辨率与结构参数之间的关系示意图

　　然而，对这种离轴超构透镜还没有进行更为详细的参数分析。周毅等研究了基于超构透镜的光谱仪的结构参数对有效光谱范围和光谱分辨率的影响。如图2（d）所示，通过优化检测平面的方向角，有效光谱探测范围可以比垂直于光轴的普通检测面探测范围提高约3倍。结合数值衍射计算和解析几何分析，发现设计高分辨率光谱仪时，应尽可能提高超构透镜的孔径直径和离轴角。采用相反的思路，减小透镜孔径和离轴角或者增加焦距牺牲一定的光谱分辨率可以设计宽带光谱仪。基于这些特点，他们针对不同的用途设计了两种光谱仪，一种是宽带光谱仪，工作范围为800～1800 nm，光谱分辨率为2～5 nm，另一种是具有更高光谱分辨率的窄带光谱仪，在780～920 nm范围内分辨率为0.15～0.6 nm。

　　值得注意的是，离轴超构透镜虽然具有较高的光利用率和较强的光谱分辨能力，但是却难以在采集光谱信息的同时兼顾三维空间分辨率，因此距离4D成像的目标还有一段距离。2018年，Faraji-Dana等介绍了折叠超构表面的概念并制作了一个总体积仅有8.5 mm³的超紧凑线扫描微型高光谱成像仪（HSI）。如图3（a）所示，HSI沿θ方向捕获一维空间图像的同时独立测量直线上每个点的光谱，通过空间扫描HSI前面的对象，可以组成完整的三维数据立方体，所有的色散和聚焦功能可以通过三个反射超构表面、一个透射超构表面和一组衬底完成。尽管这种线扫描的方式在足够的时间累积下能获取物体的空间信息和光谱信息，但是它的应用大多局限在共聚焦显微镜下，难以实时对空间物体进行光谱成像。

　　图3 （a）折叠超构表面示意图；（b）SLIM系统中光谱重建算法的数值模拟结果；（c）高光谱成像系统的光学架构示意图；（d）色散实验的装置和实验结果的拼接图

　　2022年华夏等利用横向色散的超构透镜阵列和一个单色成像传感器演示了超紧凑光谱光场成像（SLIM），仅需使用一次快照就可以同时获得光谱信息和空间信息。在SLIM系统中，为了同时获得高光通量、高空间分辨率和高光谱分辨率，不可避免地会捕获带有光谱和空间混叠的图像。光谱信息和空间信息耦合在一起，故将探测问题转化为解决一个欠定的优化问题，通过引入光谱重建算法可以对其进行求解从而获取场景中每个位置的光谱信息。图3（b）是光谱重建算法的数值模拟结果，重建结果展示了该算法的有效性。此外，通过SLIM快照，还可以记录彩色物体的空间分布在内的场景视觉信息并最终获得4 nm的光谱分辨率和近衍射极限的空间分辨率。

　　除了光谱信息外，对偏振信息的检测也是受到广泛关注的研究方向，而基于相位调控的超构表面往往对光的偏振也有所响应。利用这一特性，可以设计出能同时检测光谱和偏振的超构透镜，然而在只需要探测光谱信息的情况时，超构表面对偏振的响应会极大地影响光谱信息的采集，因此需要设计偏振不灵敏的超构表面。由两个正交方向的多个子周期单元组成超构表面的方案可以使超构表面具有偏振独立衍射的性质。因为每个子周期在两个正交方向上的占空比是独立的，因此可以同时操纵TE和TM偏振的有效指数，模拟结果表明，对于正常入射光，TE和TM在0.7 μm参考波长下的衍射效率分别为79.2%和79.3%。

　　综上所述，相比起传统光栅光谱仪，基于超色散的超构表面光谱成像可以在一定程度上减小光学元件和光学系统的体积，并且成像系统相比起传统基于多个透镜的成像系统具有更轻巧、更便捷的优点，通过不断改进设计方案，光谱分辨率可以得到进一步提升。需要注意的是，基于超色散的光谱仪都有一个共同的特点，即入射光需要保持正入射才能实现有效分光，因此在使用光谱仪之前还需要在光路中加入额外的准直光路。

　　通过滤波进行光谱探测是实现光谱成像的另一种方案，然而传统滤波器一般需要经过多个介电层的沉积，制造过程相对复杂，阻碍了滤波光谱成像的发展道路。近十几年来，随着制作滤波器的材料范围扩大和工艺技术提升，基于窄带滤波的光谱仪展现出了巨大的光谱成像潜力。根据滤波的方式，窄带滤波器可分为透射型滤波、吸收型滤波和反射型滤波；根据滤波波长的可调谐性质，可以分为可调谐型滤波和阵列性滤波。下面分三种滤波方式介绍了不同类型的窄带滤波超构表面光谱成像的研究进展。

　　透射型窄带滤波器对透射光具有宽带吸收或宽带反射的作用，只允许特定波长窄带光透过，虽然高分辨率的微型集成滤光片是高分辨光谱仪的重要组成部分，但是传统的工艺水平很难制造出高透光率的集成滤波片。王少伟等开发了两种高效的制造集成滤波器阵列的方法，一种是组合蚀刻技术，另一种是没有任何蚀刻工艺的组合沉积技术。利用后一种技术，他们制作并演示了基于128个通道的集成光栅滤波器阵列的高分辨率微型光谱仪，如图4（a）所示。在波长范围722～880 nm内的光谱分辨率为1.7～3.8 nm。然而，在具有高光谱分辨率这一优点的同时，它还存在对光的利用率较低这一缺陷，通道的峰值透过率在21%～65%之间。

　　图4 基于透射型超构表面的光谱成像。（a）集成滤波阵列组成的紧凑型光谱仪；（b）具有不同纳米柱宽度的一组滤波器模拟透射光谱；（c）超构表面快照光谱成像仪的示意图；（d）多光谱拼接滤波器生成过程示意图；（e）未知源入射功率的目标检测策略框图

　　为了获得高透射率的尖锐透射峰，科研人员研究了不同结构和材料的滤波性质。等离子体纳米结构能够在亚波长范围内实现对光场的调制，其中金属-绝缘体-金属（MIM）波导结构已被证实可以在可见波段将白光转换成特定颜色的光，并且波导的上下两层金属结构决定了其在电光系统中能很容易被集成，有利于压缩器件尺寸。

　　为了增强倏逝光场以增加透射，等离子体滤波片需要结合金属-介电界面中的表面等离子体激元。已有研究表明，由于表面等离子体激元的存在，在可见光和近红外波段区域中，光与金属和介电材料之间的界面具有电子振荡相互作用，从而导致了纳米孔阵列中特殊的光传输或共振，这使其表现出滤波片的特征，孔间距和孔尺寸对透射共振的峰值位置和带宽有调制作用。然而，传统纳米孔阵列的透射共振由于低带外阻塞和宽共振光带宽而不能有效地分离颜色。受益于表面等离激元-能量匹配特性，具有空腔的纳米孔阵列可以提供更高的共振传输效率和更窄的共振带宽。甘雪涛等演示了一种基于高品质因子（Q）半导体平面光子晶体纳米腔的紧凑光谱仪，通过平面二维波导的耦合，在840 nm波长处分辨率高达0.3 nm。Najiminaini等开发了一种二维快照多光谱成像仪，在透射光谱中，观察到与（1，0）和（1，1）表面等离激元激发相关的两个主要共振峰，其中（1，0）共振传输效率在55%到62%之间。

　　除了上述的滤色方法外，设计高分辨率滤光片最常见的方法是使用一对宽带高反射率反射镜形成一个法布里-珀罗（FP）谐振腔，超构表面的引入会进一步增强对光的调制。Horie等将介电超构表面层放在具有较高Q的垂直FP谐振腔。