前沿：机械旋转的级联超构表面，实现自适应扫描像差修正的太赫兹焦点扫描器件- 大数跨境

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前沿：机械旋转的级联超构表面，实现自适应扫描像差修正的太赫兹焦点扫描器件

两江科技评论

2024-11-16

Opto-Electronic Advances

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上海大学通信学院肖诗逸教授课题组提出了使用两个透射式超表面实现与焦点扫描协调工作的自适应像差校正，仅通过旋转两个具有精心设计相位分布的级联超表面即可以实现有效控制焦点在定制曲面上扫描，无需任何额外的光学元件或外部控制算法。

文章 | Li XT, Cai XD, Liu C et al. Cascaded metasurfaces enabling adaptive aberration corrections for focus scanning. Opto-Electron Adv 7, 240085 (2024).

第一作者：李小桐，蔡晓东，刘畅

通信作者：肖诗逸

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研究背景

动态焦点控制因其在生物成像、激光加工和光镊等许多领域具有重要的应用价值，近年受到了研究人员的广泛关注。然而，在控制焦点横向移动过程中，焦点的纵向位置会不可避免地偏离目标面，导致焦点质量显著下降，严重限制了系统精度。因此如何修正扫描过程中出现的扫描像差成为焦点扫描系统的关键挑战之一。传统的扫描像差修正技术依赖于额外的光学元件和外部控制算法，这使得系统体积庞大且效率低下，难以满足现代系统集成化和小型化的发展需求。

近些年，超表面的快速发展为实现超紧凑、高效、自适应扫描像差修正的焦点控制器件提供了新可能。超表面是由亚波长人工原子通过特殊宏观序列构成的超薄超材料，展现出强大的电磁波调控能力。通过将有源元件(如 PIN 二极管、变容二极管、石墨烯和液晶等)集成到单个人工原子中，并以局域调控方式点对点地调控每个人工原子的电磁响应，已经实现了一系列动态可调超表面。基于该方式，研究人员通过动态生成聚焦在不同位置处所需的目标相位分布，在微波段实现了无像差的焦点控制。然而，在更高频段(如太赫兹、红外和可见光)，仍然缺乏具有自适应扫描像差修正功能的焦点扫描器件。这主要是由于缺乏高效且合适的有源材料，并且在高频段以点对点调控人工原子电磁响应的方式较为复杂。最近，基于空间构型可重构，在高频段已经实现了具有各种不同功能的动态可调超表面。然而由于这种全局相位调控方法难以根据目标精确地修改局部电磁响应，级联超表面在焦点扫描过程中自适应消除扫描像差仍然面临巨大挑战。因此，我们亟需探索一种高效的动态焦点控制方法，在不引入额外的光学元件和外部控制算法的情况下，实现自适应扫描像差修正功能。

本文亮点

近日，针对上述科学问题，上海大学通信学院肖诗逸教授课题组提出了使用两个透射式超表面实现与焦点扫描协调工作的自适应像差校正。这种像差校正方法，仅通过旋转两个具有精心设计相位分布的级联超表面即可以实现有效控制焦点在定制曲面上扫描，无需任何额外的光学元件或外部控制算法。他们开发了一种通用的参数求解方法来优化相位分布参数，以便在任何定制设计的曲面上移动焦点，从而提高扫描过程中的焦点质量(强度和形状)。为了验证这一概念，设计并制造了两个在太赫兹频率范围内工作的超表面器件。实验结果表明，第一个超表面器件可以动态控制焦点在平面上扫描，在±30°的扫描范围内实现了1.18%的平均扫描像差，与传统的双曲面扫描透镜相比提高了5.56倍。同时，第二个超表面器件可以同时动态控制两个焦点分别在平面和圆锥面上扫描，在±30°的扫描范围内平均扫描像差分别为 2.5% 和 4.6%。这种像差校正方法具有足够的通用性，可以扩展到开发其他用途的高精度光学器件，为能够自适应动态控制以满足高精度需求的超表面器件设计打开了大门，在激光加工、光刻和光镊方面具有潜在的应用。

图1 自适应像差修正的焦点扫描超表面器件示意图。(a)由两层透射式超表面组成并通过机械控制旋转(旋转角度分别为α₁和α₂)的级联超表面总览。这里， r_c(t)表示焦点的位置，θ_c和φ_c表示焦点的极角(扫描角度)和方位角。左上角蓝色部分为无扫描像差修正功能的焦点扫描器件及其相位功能组成，右下角紫色部分为所提出的具有自适应扫描像差修正功能的焦点扫描器件及其相位功能组成。(b)固定在电动旋转台上的两层全硅超表面的照片。(c)超表面样品的扫描电子显微镜(SEM)图像。

如图2所示，随着旋转角度的改变，自适应像差修正的焦点扫描器件可以有效地控制焦点在同一焦平面内移动，在焦点的扫描角度为0°、10°、20°、30°处实验/仿真的半峰全宽分别为0.45/0.42 mm、0.51/0.46 mm、0.56/0.52 mm、0.93/0.60 mm，聚焦效率分别为 23.2%/30.2%、25.1%/33.1%、24.5%/30.8% 和 23.7%/31.0%。实验结果表明，该超表面器件可以有效控制焦点在同一焦平面内动态扫描，并在±30°扫描范围内平均扫描像差约为1.18%，在最大扫描角度处的扫描像差为1.5%。

图2 自适应像差修正平面扫描超表面器件的实验装置和太赫兹表征。(a)实验装置示意图，右侧为理论相位分布和各层超表面的扫描电子显微镜(SEM)图像。(b)自适应像差修正平面扫描器件(蓝色)与无扫描像差修正功能的扫描透镜(黑色)相比，焦点的纵向位置的理论(虚线)、模拟(实线)和实验(点)结果。(c)实验和(d)仿真对应于不同扫描角度处的xz 平面(顶部)和xy 平面(中间)的电场强度分布图，以及焦平面上沿y=0的电场强度分布(底部)，并标有焦点的横向位置和半峰全宽。其中，灰色虚线表示焦斑最大强度的位置。

该工作以“Cascaded metasurfaces enabling adaptive aberration corrections for focus scanning”为题发表在Opto-Electronic Advances (OEA, 光电进展) 2024年第10期。

研究团队简介

上海大学肖诗逸教授课题组依托于上海大学通信与信息工程学院。课题组指导老师肖诗逸教授，是上海大学通信与信息工程学院特聘教授，上海市“东方学者”。2013年在复旦大学物理系获得理学博士学位，2014至2016年在英国伯明翰大学任博士后研究员，2016年加入上海大学通信与信息工程学院。在2012年获中国光学重要成果奖，2014年获上海市优秀博士论文，2016年获上海市“东方学者”称号，2018年获上海市“青年启明星”称号，2019年获国家自然科学奖二等奖，2020年获上海市“东方学者跟踪计划”。主要从事电磁超构材料/超构表面、纳米光子学等研究。在Nature Materials，Nature Communications, Light: Science & Applications，Advanced Photonics，Laser & Photonics Reviews等期刊上发表学术论文50余篇。