有哪些犀利的光学透镜？
各位读者，老师，同学们，如果对超构表面，超构透镜，BICs等等感兴趣，也想合作的话，可以私信我，我这人好说话，也只有一个要求——真诚，真诚，还是XX的真诚！可以提供的帮助有： 欢迎诚心合作的各位私信，想合作的话记得报一下单位。  被几个业内大佬翻牌子了，受宠若惊，补充一下答案。 回答里已经有人提到超透镜了，我在这里详细展开一下。 说起超透镜，要先说超表面。 超表面是2011年哈佛大学Capasso课题组提出的概念，他们利用不同形状的V型天线的周期性排列得到了可以异常透射的超表面，称为Metasurface。 Metasurface是一种人造二维材料，由于光在体块超材料中的损耗很大，一直无法应用，二维超材料一定程度上就解决了这个问题。这种由不同形状的结构组成的光学天线阵列主要依靠亚波长共振单元使得共振频率发生移动，进而改变某个频率的相位，产生相位突变，称为共振相位（Resonance phase），由于他们一开始用的是金属，存在很高的欧姆损耗，因此共振频率范围很窄。 另一种超表面是由伯明翰大学（现为香港大学物理系主任）张霜课题组提出的几何相位（PB Phase），他们利用天线的转角不同来控制相位。几何相位在线性光学和量子绝热体系里都有涉及，在超表面中，简单来说就是从庞加莱球的初态演变到末态再回到初态会有一个交叉的相位变化，这个变化的值是天线转角的二倍。几何相位基于空间旋转排布的结构单元设计，与共振波长无关，可以实现宽带入射，但是只能圆偏光入射。 2015年Caltech的Faraon课题组提出一种基于介电体材料的天线，类似于波导，可以通过光在高横纵比的波导型天线中传播而积累的相位来调控相位延迟，称为传播相位（Propagation phase）或动力学相位（Dynamic phase）。 有人将共振相位和传播相位统称为传播相位，这种说法有一定道理，但是不绝对，因为针对的情况不一样，请看接下来的介绍。 现在的各种超表面都是基于这三种相位模式，于是在2016年Capasso课题组第一次做出了可以成像、与商用透镜类比的超透镜（Metalens），并且登上了Science的封面。 顺便提一句，之前张霜课题组的超表面也可以成像，不过因为他们排的方形周期型阵列，聚焦时类似于柱透镜，因此无法实现传统意义上的成像。 超透镜提出以后引起业界的广泛关注，人们考虑新型的亚波长聚焦成像能否通过超透镜实现，并将传统通过组合而成的透镜替换掉，实现紧凑和高效的成像，但是随之而来的是超透镜的色差问题，也就是无法全彩色成像。世界各地的科学家们经过一系列的努力想要消除色差，想了很多办法，诸如优化结构参数，使得一定波段的光聚焦在同一焦点上、嵌套不同共振频率响应的天线，不同天线发挥不同的作用让他们聚焦到同一点上，以及级联分别对不同频率光响应的超透镜等办法，但是都没能实现某一波段整个带宽上的消色差。 时间来到2017年，南京大学祝世宁、李涛课题组和台湾大学蔡定平课题组提出一种“集成共振”相位的办法实现了超宽带连续消色差超透镜。 他们利用集成的金属天线对于很长带宽内光的高阶共振，加上几何相位的转角实现了中心波长33%的消色差。随后他们又用同样的办法在可见光波段利用GaN纳米柱实现了可见光波段的消色差成像。 由于单个天线的相位补偿是有上限的，随着焦距和尺寸的增加，相位补偿越来越大，但是限于工艺和天线材料，无法满足那么大的相位补偿，因此这种方法遭受了小数值孔径的限制，无法真正意义上的商用化。 相似的工作还有Capasso课题组也利用TiO2介质柱实现了可见光波段的成像，但是TiO2的散射很强，FDTD solution的计算和祝院士组使用的CST软件相比精确度较低，再加上工艺问题，因此成像质量较差一些。 值得一提的是，这两篇文章发表在同一期Nature Nanotechnology 上，而且Capasso组的在前，祝院士组的在后，在我看来，Capasso组的这篇文章利用信号的知识，分析了群延迟和群色散延迟对色差的影响，比祝院士组那篇更从物理的角度分析了超透镜色差的根本原因，并且将高阶衍射的色散调控解释的也很清楚，从这点上来看，这篇文章的水平高于祝院士组的文章，但在工艺方面欠缺一些，TiO2的散射相比GaN还是很严重的，而且天线种类少注定补偿的相位精细度较差。 受到NA的限制，超透镜离商用化还有一段距离，因此在2019年蔡定平＆祝世宁、李涛课题组又提出了“超透镜阵列”的概念——利用超透镜组合而成的阵列将不同位置处的像成像在CCD的不同像素点上上，再经过图像处理拼接的方式将整个图像重建出来，实现高分辨率，高数值孔径的成像，但是这种方式解决的是分辨率的问题，商用成本较高。相似工作还有中山大学董建文课题组的工作。 值得一提的是，董建文课题组消色差方法的出发角度和之前两个课题组又不相同，他们利用等效折射率的概念分析了消色差的物理本质，但其实三种方法可以互相等效，有兴趣的读者可以自己推导。 至于前文埋下的伏笔，传播相位和共振相位是否是一个东西。从成像的角度来看，宽波段的彩色成像从本质上来说依赖的是天线的共振，而Faraon课题组提出的传播相位主要针对偏振调控而设计的，因此这两种相位在不同的场合可以分开描述。 至此，超透镜成像就告一段落，目前各种消色差设计都基于这种办法，从太赫兹波段到可见光都实现了一圈，而超透镜阵列的方法受限于工艺和图像处理，在衍射极限成像中或许很有优势，但是商用起来与传统透镜相比性价比较低，此外，所有超透镜成像工作的效率也无法与传统商用透镜相媲美（50% VS 90%）。 超透镜的应用不仅仅只有成像，在调控方面仍然具有优势。Capasso课题组在2017、2018年提出了两种不同自由度上调控光波前的方法——波长（频率）调控和偏振（自旋）调控。 在这里多讲一句，那些自称“光学领域只有量子光学属于物理，其他光学都在浪费资源”、“搞量子光学的学生水平高于其他光学”“与量子无关的光学文章发不成PRL”的人，可以睁大眼睛看看这篇超表面相关的PRL，这篇PRL养活了好几个课题组，比量子灌水PRL强到不知道哪去了。 基于这两种调控，可以将更多的功能集成在超透镜上，通过切换波长或者偏振，实现不同的响应，在这方面有一个“想法很简单，但为什么你就是想不到”的工作是一个非常好的例子。 南京大学徐挺课题组利用两个正交偏振分别调控不一样的光场（透镜聚焦+螺旋相位），实现了明场成像和螺旋相衬成像的切换，并对洋葱表皮细胞进行了成像。 这种多功能成像也可以应用到其他光场上，实现成像的主动调控。 此外，超表面全息也是一个方向，但是大多数的全息还都停留在2D，并且无法主动调控，与我们在科幻片中看到的还不同，在全息成像方面不如DMD和液晶的功能强大，但是由于超表面是亚波长结构，做到紫外的话，在光刻方面或许有一些优势，下图是实现了80%效率的超表面全息。 在全息上讲故事的还有像素为轨道角动量光束的全息。一开始是由上海理工大学顾敏院士组提出的一个新想法：能否让轨道角动量光束作为像素点，这样可以实现全息上的加密处理。而后他们把这个想法应用到了超表面上，实现了超表面上的轨道角动量全息。国内Aim超表面全息的组还有北京理工大学的王涌天，黄玲玲课题组，他们与黄玲玲教授的导师张霜和Thomas合作，发表了与偏振复用结合的轨道角动量全息。 其实无论是超透镜成像，超表面全息，甚至是超表面通信，都受限于效率的问题，如果不能很好的解决效率，对于超表面的广泛应用都有很大的阻碍。 在这里，私认为超透镜的未来不在于取代发展了几百年的传统光学衍射元件，而在于某些特定场合，实现多功能的亚波长聚焦、成像和调控，因此，继续探究超透镜的多空间维度、多自由度调控是寻找超透镜未来的一个不错的出路。 考虑到有很多人都在评论区和私信里问我宽带超透镜何时可以商用化，其实我在文中已经暗示了一些超透镜存在的问题，我私下也搜索过一些其他答主开的专栏或者是一些路人的回答，其中很多人说道超透镜可以代替传统透镜作为新时代的平面透镜用于集成光学和正常生活中，这里面还不乏有些话题优秀答主，甚至有“超透镜可以做成放大镜”的言论。我曾经探索过很久超透镜能否真正商用化，并且也给一些企业做过超透镜商用的项目，针对这些问题，我的答案是： 在现有的理论和工艺基础上，宽带超透镜无法商用化。 超透镜只有位置色差，没有倍率色差，因此无法做放大镜。 在此，针对宽带成像超透镜无法商用化，我详细罗列以下几点原因： 1.商用化的成像透镜要求彩色成像，比如我们手机摄像镜头。消色差的相位补偿针对不同波段和不同材料是有限的，我曾经从可见光做到中红外，尝试了各种天然材料（特殊设计和制造的材料除外），形状和尺寸的结构，最大能达到的相位补偿大小分别约为500°（可见光波段）、200°（近红外短波波段780-1300nm）、360°（近红外长波波段1300-1500nm）和330°（中红外波段＞3000nm），商用化要求的透镜的数值孔径（NA）是很高的，而宽带消色差超透镜的数值孔径不超过NA=0.15，无论用什么结构的天线都一样，因此在数值孔径大了以后补偿就上不去了，还是会有色差。 2.如果使用超透镜阵列的方法，在加工上有很大难度，传统的EBL（电子束刻蚀）在加工阵列时会把周围lens打化（熔化的化），超透镜阵列现在都用纳米压印的办法，但是纳米压印的成本相当高，进一步说，即使有阵列了之后，仍然需要图像处理的办法去把图像拼凑出来，因此不能作为一个普通的透镜使用。 3.无论玩法怎么变，宽带消色差超透镜的效率最高只有50%多，即使是台湾蔡定平组加工出来的也只有50%出头，而商用透镜大多都95%以上，至少也要90%以上，这个差距是原理和材料导致的，而材料又和加工挂钩，除非有某种材料可以在很宽的波段上转换效率和透射率都非常高，综合下来有90%，才能解决效率的问题。 4.高效率宽带消色差超透镜都是偏振依赖的，意味着投入使用时要考虑特定偏振入射，非偏振依赖的效率普遍都低于偏振依赖超透镜。  综上，宽带消色差商用的限制在于无法提供更大的相位补偿，并且效率较低，阵列的办法需要图像处理，加工难度也很大。 超透镜在目前为止是一个很烧钱的领域，在国内如果给一家能做EBL的厂家提供一套新的参数让他们生长材料，先不说深宽比和精度能做到多少，开发一套工艺下来的成本就在10W左右，这也侧面说明了商用化的瓶颈——成本昂贵。国内做超透镜阵列的几家单位都依靠外面最好的加工单位去做纳米压印，因此做超透镜阵列的单位相比做超透镜的又少了很多。 抛开商用化，由于超透镜能在亚波长尺度下对光进行调控，在微纳光学研究领域仍然具有一定优势。