光學(xué)超表面（MS）是一種新型的平面光學(xué)元件，由于其緊湊性、多功能性以及設(shè)備集成性的優(yōu)點(diǎn)，正深刻變革著光學(xué)設(shè)計(jì)領(lǐng)域。本期文章將介紹現(xiàn)有的用于超表面檢測(cè)的光學(xué)計(jì)量技術(shù)，包括振幅、偏振、定量相位測(cè)量以及疊層成像等[1]，最后討論了超表面在光學(xué)計(jì)量中的應(yīng)用以及未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。過(guò)去十年間，平面結(jié)構(gòu)化光學(xué)界面（即超表面）發(fā)展迅猛。超表面本質(zhì)上是平面器件，可借助半導(dǎo)體制造工具和設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)，有望實(shí)現(xiàn)晶圓級(jí)制造以及與光電子系統(tǒng)集成。盡管超表面發(fā)展前景廣闊，但實(shí)現(xiàn)工業(yè)化仍面臨諸多挑戰(zhàn)。其中，確保制造出的超表面達(dá)到設(shè)計(jì)階段預(yù)期的光學(xué)性能至關(guān)重要，且這一要求需在高產(chǎn)量條件下達(dá)成，即同一晶圓上生產(chǎn)的數(shù)千個(gè)器件都要滿足性能標(biāo)準(zhǔn)。半導(dǎo)體行業(yè)通過(guò)在制造過(guò)程中進(jìn)行多次連續(xù)和并行測(cè)量來(lái)解決類似問(wèn)題，因此，超表面光學(xué)元件的工業(yè)化生產(chǎn)也需要適配的先進(jìn)計(jì)量技術(shù)，以推動(dòng)其性能提升，加速系統(tǒng)集成和工業(yè)應(yīng)用進(jìn)程。此外，當(dāng)成功制造超表面后，仍需專用光學(xué)計(jì)量技術(shù)來(lái)驗(yàn)證其光學(xué)特性，而且，超表面集成到系統(tǒng)和復(fù)雜器件中時(shí)，也需要測(cè)量來(lái)保證最終產(chǎn)品符合規(guī)格。因此，無(wú)論是超表面元件還是完整系統(tǒng)，都需要計(jì)量和驗(yàn)證測(cè)試。
超表面是由納米結(jié)構(gòu)元素組成的，這些元素位于分隔兩種介質(zhì)的界面處。這些納米結(jié)構(gòu)可用于控制透射光和反射光的光學(xué)特性。超表面的優(yōu)勢(shì)是通過(guò)在納米結(jié)構(gòu)處對(duì)入射光產(chǎn)生相移來(lái)實(shí)現(xiàn)波前控制。傳統(tǒng)的應(yīng)用包括可以實(shí)現(xiàn)光任意角度偏轉(zhuǎn)的偏轉(zhuǎn)器、具有聚光功能的超透鏡、可以投影用戶定義的強(qiáng)度分布的全息圖等。而實(shí)現(xiàn)相移的方法可以歸結(jié)為三種類型：
1） 傳播相位型：該種方法利用高縱橫比的電介質(zhì)結(jié)構(gòu)充當(dāng)小波導(dǎo)，通過(guò)控制結(jié)構(gòu)的有效折射率，即通過(guò)控制圓柱直徑，來(lái)控制相同高度柱體透射的相位延時(shí)，其示意圖如圖1（a）所示。
2） 諧振相位型：該種方法依賴由米氏共振引起光的激發(fā)和散射。其示意圖如圖1（b）所示。
3） 幾何相位型：即貝里相位，構(gòu)建塊是充當(dāng)局部旋轉(zhuǎn)半波片的雙折射結(jié)構(gòu)，將入射圓偏振光轉(zhuǎn)換成其交叉偏振，相移正好對(duì)應(yīng)于元件之間的局部旋轉(zhuǎn)的兩倍，其示意圖如圖1（c）所示。
圖1 （a）傳輸相位；（b）諧振相位；（c）幾何相位
本節(jié)主要分為兩部分，首先是常用振幅的測(cè)量方法，重點(diǎn)是普遍適用于所有超表面，然后是處理特定應(yīng)用的振幅測(cè)量，強(qiáng)調(diào)與超表面的操作功能相關(guān)的參數(shù)。
常用振幅測(cè)量
透射/反射效率：
超表面相對(duì)于傳統(tǒng)衍射光學(xué)元件（DOE）的顯著優(yōu)勢(shì)在于其更高的衍射效率，即被引導(dǎo)到期望的衍射通道中的透射/反射光的量。而透射/反射效率用于表征該量，其被定義為由超表面透射/反射的功率與入射到超表面孔徑上功率之間的比率。當(dāng)超表面尺寸大于光學(xué)探測(cè)光束直徑時(shí)，使用功率計(jì)即可便捷測(cè)量效率；而對(duì)于微米尺寸的小面積超表面，由于光學(xué)探測(cè)光束通常比超表面孔徑寬，則需對(duì)器件成像并選取超表面孔徑區(qū)域的信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，也可使用 CCD 相機(jī)拍照并進(jìn)行數(shù)值后處理歸一化操作。
轉(zhuǎn)換效率：
基于貝里相位超表面的裝換效率主要取決于偏振轉(zhuǎn)換效率。其發(fā)生在從一個(gè)圓偏振旋轉(zhuǎn)向到另一個(gè)時(shí)，兩個(gè)相同的相鄰元件對(duì)轉(zhuǎn)換后的偏振光束施加不同的局部相位延時(shí)，其等于兩元件之間相對(duì)方向角的兩倍。因此，轉(zhuǎn)換效率被定義為轉(zhuǎn)換偏振信道中的光的功率除以總傳輸功率。
透射/反射和轉(zhuǎn)換效率是直接測(cè)量的，因此，它們的精度主要取決于光學(xué)裝置的對(duì)準(zhǔn)以及不同光學(xué)元件的質(zhì)量。
特定應(yīng)用的振幅測(cè)量
超透鏡特性：
超透鏡需要表征兩個(gè)關(guān)鍵屬性：分辨率和信噪比（SNR）。分辨率通常被定義為點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)（PSF）的半高全寬（FWHM）。PSF是超透鏡在點(diǎn)光源照射下焦平面上的光強(qiáng)分布。比如，將準(zhǔn)直光束發(fā)送到具有足夠小直徑的針孔上，以此來(lái)模擬點(diǎn)源，如圖2所示。但使用PSF的FWHM作為分辨率度量是有局限性的，因?yàn)橄癫罡嗟赜绊慞SF的旁瓣，而不是中心瓣的直徑[2]。因此有研究建議使用調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）來(lái)更全面地評(píng)估分辨率，MTF 與 PSF 的傅里葉變換相關(guān)，能包含 PSF 的所有信息。SNR是通過(guò)測(cè)量聚焦效率來(lái)表征，聚焦效率被確定為聚焦在超透鏡的焦平面處入射功率的占比。
圖2 超透鏡的PSF測(cè)量的光學(xué)設(shè)置示例
偏轉(zhuǎn)特性：
超表面其中一個(gè)應(yīng)用是光束偏轉(zhuǎn)。該器件可以將光偏轉(zhuǎn)到任何所需的角度。它的特性通常包括確定偏轉(zhuǎn)角以及偏轉(zhuǎn)效率。后者被定義為所需階次的功率與其他階次的總發(fā)射功率之間的比率。兩種方法可用于實(shí)驗(yàn)表征，即直接測(cè)量和k空間測(cè)量。
超表面的一個(gè)核心應(yīng)用是依靠結(jié)構(gòu)單元引入相移突變來(lái)設(shè)計(jì)光的波前。因此，在制造后能夠準(zhǔn)確地表征有效相移是至關(guān)重要的。但是任何光電探測(cè)器都沒(méi)法直接測(cè)量空間相位分布，因?yàn)樗峁┑男畔⒅挥袕?qiáng)度。然而，有幾種方法可以從強(qiáng)度測(cè)量中提取相位信息。
這些方法可以分為兩類：
1）強(qiáng)度干涉法，從幾個(gè)光束的干涉圖案推斷相位輪廓；
2）相位恢復(fù)法，基于通過(guò)光束傳播和衍射的空間強(qiáng)度分布的演變來(lái)重建相位輪廓。
強(qiáng)度干涉測(cè)量方法：
強(qiáng)度干涉法是利用至少兩束光產(chǎn)生干涉，通過(guò)干涉圖樣直接推導(dǎo)出光束的相位信息。根據(jù)原理的不同，干涉測(cè)量方法可以分為兩類：
1）參考光束干涉測(cè)量法[3]，其示意圖如圖3（a）所示。該方法將相干單色光束分成兩束，一束作為參考光，另一束探測(cè)超表面，兩束光再重新組合到光學(xué)傳感器上。通過(guò)測(cè)量?jī)墒獾南辔徊睿跍p去無(wú)超表面時(shí)的相位差，并進(jìn)行校準(zhǔn)以消除參考相位項(xiàng)和其他像差的空間變化后，即可得到超表面的相位輪廓。
2）剪切波干涉測(cè)量法，其示意圖如圖3（b）所示。不使用參考光束，光通過(guò)超表面后被復(fù)制并在傳感器上干涉產(chǎn)生多光束自干涉圖案。該方法測(cè)量的相位是相對(duì)的，通過(guò)對(duì)干涉強(qiáng)度圖案進(jìn)行數(shù)值積分來(lái)恢復(fù)入射光束的相位。
圖3 （a）參考光束干涉測(cè)量系統(tǒng)；（b）剪切波干涉法測(cè)量系統(tǒng)
相位恢復(fù)法：
由衍射理論可知，通過(guò)光在給定平面上的場(chǎng)分布、振幅和相位，就有可能確定遠(yuǎn)場(chǎng)的場(chǎng)分布。相反，簡(jiǎn)單地測(cè)量給定平面上的光強(qiáng)分布并不足以恢復(fù)原始波前，因?yàn)闀?huì)丟失相位信息，測(cè)量光強(qiáng)分布只會(huì)產(chǎn)生模糊性，并不能直接進(jìn)行波前重建。相位恢復(fù)法利用光傳播過(guò)程中初始光學(xué)信息產(chǎn)生不同但相關(guān)的強(qiáng)度圖案這一特性來(lái)恢復(fù)相位。
其中兩種相位恢復(fù)法已成功地用于表征超表面：
1）傳輸強(qiáng)度方程，通過(guò)分析透射光束在其傳播過(guò)程中的強(qiáng)度變形來(lái)獲得超表面的相位輪廓；
2）疊層成像法，通過(guò)對(duì)樣品進(jìn)行局部和順序照明，從不同的遠(yuǎn)場(chǎng)強(qiáng)度圖案中恢復(fù)相位信息。
通過(guò)合理設(shè)計(jì)超表面結(jié)構(gòu)單元的幾何形狀，可靈活控制光的偏振，實(shí)現(xiàn)從矢量全息、偏振濾波到偏振復(fù)用等多種功能，此外，偏振控制還在材料檢測(cè)、生物成像、光通信等眾多領(lǐng)域也至關(guān)重要。光的偏振態(tài)（SoP）由三個(gè)量表征，包括量化偏振光量的偏振度（DoP）、橢圓率χ和偏振角α。因此，SoP可以表示為龐加萊球中的3D向量，如圖4所示。
圖4龐加萊球的偏振表示
S=[S0，S1，S2，S3]T中的四個(gè)斯托克斯參數(shù)是由一組強(qiáng)度測(cè)量確定的量，其滿足如下關(guān)系[4]：
傳統(tǒng)上，通過(guò)測(cè)量與六個(gè)偏振態(tài)相關(guān)的強(qiáng)度來(lái)確定四個(gè)斯托克斯參數(shù)，進(jìn)而得到偏振態(tài)參數(shù)。為提高偏振測(cè)量分辨率，可增加測(cè)量的強(qiáng)度數(shù)量，且測(cè)量的偏振態(tài)在龐加萊球上的分布越均勻，偏振態(tài)測(cè)量越精確。而測(cè)量技術(shù)也分為多種類型：1）時(shí)間分割偏振測(cè)量法：通過(guò)順序獲取強(qiáng)度輪廓來(lái)測(cè)量偏振態(tài)，但該方法不適用于需要高速測(cè)量的應(yīng)用場(chǎng)景，且使用波片會(huì)使表征裝置具有色散性。2）振幅分割偏振測(cè)量法：通過(guò)將光束分割為多束并分別分析來(lái)同時(shí)獲取斯托克斯參數(shù)，可提高采集速度，但受振幅細(xì)分?jǐn)?shù)量限制。3）波前分割偏振測(cè)量法，在波前的多個(gè)位置進(jìn)行分割和測(cè)量，其中基于微透鏡陣列的焦平面分割法具有緊湊、采集同步的優(yōu)點(diǎn)，適用于超表面的偏振成像，但通常只能分析龐加萊球赤道平面上的偏振態(tài)，如需實(shí)現(xiàn)全斯托克斯成像，需集成延時(shí)器。超表面在光學(xué)量計(jì)量中的應(yīng)用
隨著超表面的發(fā)展，其在光學(xué)量計(jì)量領(lǐng)域也展現(xiàn)出巨大潛力，可用于替代和改進(jìn)現(xiàn)有光學(xué)計(jì)量?jī)x器中的組件。在偏振測(cè)量方面，超表面為高效緊湊的偏振計(jì)設(shè)計(jì)提供了新機(jī)遇?；诔砻娴钠裼?jì)利用其光學(xué)工程特性，可將光分離到不同方向，每個(gè)方向?qū)?yīng)一個(gè)用戶定義的偏振態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)單次采集完成全偏振態(tài)測(cè)量。這類偏振計(jì)可分為振幅分割型或波前分割型，將多個(gè)光學(xué)和偏振組件替換為單個(gè)超表面，不僅具有強(qiáng)大的集成能力，能同時(shí)分析和空間分選多個(gè)偏振態(tài)，而且小尺寸超表面易于制造，特別適合用于偏振相機(jī)。例如，已展示的基于超表面的全斯托克斯偏振相機(jī)，可實(shí)現(xiàn)高精度的偏振測(cè)量，其示意圖如圖5（a）所示[5]；還有將超表面集成到CMOS成像傳感器上的波前分割型偏振計(jì)，能以較高精度確定斯托克斯矢量，其示意圖如圖5（b）所示[6]。
圖5 基于超表面的（a）偏振相機(jī)示意圖
（b）偏振計(jì)示意圖
超表面在相位表征技術(shù)方面也有望帶來(lái)變革。其多功能性，如偏振和空間復(fù)用能力，可產(chǎn)生復(fù)雜的干涉圖案，用于獲取物體的二維相位輪廓。目前，一些基于超表面的定量相位表征技術(shù)已取得進(jìn)展，例如受經(jīng)典微分干涉對(duì)比（DIC）顯微鏡啟發(fā)的緊湊型定量相位顯微鏡，利用雙層多功能介質(zhì)超表面實(shí)現(xiàn)了小至0.207 rad的相位差測(cè)量，其示意圖如圖6（a）所示[7]；還有基于超表面的其他定量相位顯微鏡，可測(cè)量一維或二維的相位梯度，且具有較高的分辨率和相位精度。此外，超表面還可用于經(jīng)典哈特曼掩模架構(gòu)中，實(shí)現(xiàn)相位和偏振的同時(shí)測(cè)量，其示意圖如圖6（b）所示[8]。
圖6 基于超表面的（a）QPGM示意圖
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