據(jù)麥姆斯咨詢介紹，近期，ACS Photonics期刊的主編Romain Quidant教授（蘇黎世聯(lián)邦理工學院）與哈佛大學的Federico Capasso教授進行了對話，雙方討論了超構(gòu)表面（Metasurface）的歷史、未來的發(fā)展軌跡及其所面臨的挑戰(zhàn)。以下為麥姆斯咨詢編譯的訪談內(nèi)容。

Romain Quidant (R.Q.)：Federico Capasso教授，非常感謝您抽出時間參加這次采訪。近，ACS Photonics期刊發(fā)布了首份超構(gòu)表面路線圖（DOI: 10.1021/acsphotonics.3c00457），作為這一開創(chuàng)性領域的[敏感詞]先驅(qū)和推動者，我們很高興有機會與您交談。我們渴望深入研究超構(gòu)表面的歷史、您對其未來發(fā)展軌跡的見解，以及在這個快速發(fā)展的領域中所面臨的挑戰(zhàn)。

圖1 哈佛大學教授Federico Capasso

 
圖2 光學超構(gòu)表面路線圖（DOI: 10.1021/acsphotonics.3c00457）

R.Q.：在您的職業(yè)生涯中，您一直在研究各種課題，我很想知道您是如何開始研究超構(gòu)表面的？

Federico Capasso (F.C.)：這是一個有趣的偶然事件。我當時正在與Jim Anderson合作。他是一位[敏感詞]的大氣化學家，為控制臭氧空洞的《蒙特利爾議定書》做出了重大貢獻。從貝爾實驗室開始，我就一直和他合作。他利用我們的量子級聯(lián)激光器（QCL）進行化學傳感，通過吸收“指紋”識別微小濃度的氣體分子。多年來，他一直對檢測甲烷這種與氣候變化有關的溫室氣體抱有濃厚的興趣。

具有軍事經(jīng)驗的飛行員可以駕駛小型飛機飛到距地面幾米的地方來探測大氣中的甲烷。但有一次他告訴我，他想開始使用無人機，因為那些低空飛行對飛行員來說太危險了，而無人機可以更接近地面，也可以在極地苔原等不透水、難以進入的地區(qū)飛行。但他解釋說，無人機內(nèi)沒有足夠的空間，這就需要擺脫體積龐大的透鏡。所以，我記得我和我的一位博士后（現(xiàn)在是哥倫比亞大學教授）Nanfang Yu一起，我們想知道，我們怎樣才能做到這一點？我們認為可以使用準直器來補償量子級聯(lián)激光器的高發(fā)散性。因此，我們設計并構(gòu)思了一種在量子級聯(lián)激光器面上制造的平面金屬準直透鏡，能夠減少光束發(fā)散（Yu and Capasso. J. Opt. Soc. Am. B 2010, 27, 18–35）。然后Jim和我寫了一份提案，但很快就被否決了。這種情況經(jīng)常發(fā)生在創(chuàng)新的想法中。后來我們發(fā)表了幾篇論文，但我又想：為什么不制造一個單獨的平面聚焦透鏡來成像呢？這就是開始。這是一位偉大同事提出的一個偉大問題和我們自己的一些想法的結(jié)合。

初，我們開始研究金屬材料。在初的等離子體準直器之后，我們開始研究反射和折射的廣義定律（Yu et al. Science 2011, 334, 333–337）。一年后，我們報道了[敏感詞]個真正的平面透鏡（Aieta et al. Nano Letters 2012, 12, 4932–4936），但其效率很低。從那時起，我們決定從金屬材料轉(zhuǎn)向介質(zhì)材料，就是我們在2016年發(fā)表的Science期刊論文（Khorasaninejad et al. Science 2016, 352, 1190–1194）。這也是我創(chuàng)辦Metalenz公司的時刻。然后我們意識到，如果我們能夠證明超構(gòu)透鏡（Metalens）可以通過深紫外（DUV）光刻（用于芯片制造的半導體平臺）來制造，這將為智能手機等大批量消費電子產(chǎn)品應用的光學元件奠定新的范式。當我們使用i-line和DUV光刻演示超構(gòu)透鏡時，這一愿景開始變成現(xiàn)實（She et al. Optics Express 2018, 26, 1573–1585；Park et al. Nano Letters 2019, 19, 8673–8682）。在后一篇論文的支持信息部分，我們將自己的透鏡的衍射極限性能與旨在抑制球面像差的非球面商用透鏡進行了比較，結(jié)果我們獲得了更清晰的聚焦，以及更輕、更薄的透鏡和更簡單的制造工藝。而制造非球面透鏡需要使用重量和成本都很高的專用機器以[敏感詞]地實現(xiàn)特定的相位分布。

   圖3 二氧化鈦超構(gòu)透鏡（DOI: 10.1126/science.aaf6644）

圖4 DUV光刻制造的超構(gòu)透鏡及其性能（DOI: 10.1021/acs.nanolett.9b03333）

R.Q.：這是一個很棒的故事。這表明與來自不同領域的同事交流是多么重要。

F.C.：當然。這是貝爾實驗室的偉大之處。在貝爾實驗室，雖然擁有各個領域的專家，但這還不夠；你必須激勵自己花一些時間去參加研討會、與人交流等等。否則，你就無法利用這個[敏感詞]的機會。

R.Q.：從您今天的角度來看，超構(gòu)表面在多大程度上增強了我們對光的操控，是否遠遠超出了20世紀90年代早期在衍射平面光學方面所做的努力？

F.C.：20世紀90年代衍射光學界的一些研究成果為當今的平面光學奠定了基礎，特別是Craighead（Chen et al. Optics Letters 1996, 2, 177–179）和Lalanne（Lalanne et al. J. Opt. Soc. Am. A 1999, 16, 1143）等人的研究成果。以我今天的角度來看，平面光學為這些早期成果帶來的是色散工程。事實上，平面光學器件能夠[敏感詞]調(diào)控亞波長范圍內(nèi)的電磁場的振幅、相位和偏振等。這種調(diào)控水平能夠解決衍射光學的局限性，并實現(xiàn)具有像差校正（包括三階和色差校正）的衍射受限透鏡。已實現(xiàn)的亞波長調(diào)控的另一個很好的例子是偏振工程。事實上，無需使用雙折射材料的傳統(tǒng)偏振光學器件，您就可以制造出支持復雜偏振態(tài)的組件，這一點確實很重要。我們意識到，如果想要實現(xiàn)偏振調(diào)控，現(xiàn)有的理論（即傅立葉光學）是不適用的。因為當您對平面波進行傅立葉展開時，這些系數(shù)是標量。

我和我的學生Noah Rubin（即將成為加州大學圣地亞哥分校的教授）很早就認識到，我們需要廣義傅里葉光學理論。因此，我們聯(lián)系了傅立葉光學之父Joe Goodman。當時他是谷歌（Google）的顧問。我們只是拋出了一些想法。你覺得怎么樣？他說，我不知道該怎么做，但請繼續(xù)嘗試吧。我們的論文（Rubin et al. Science 2019, 365, eaax1839）表明，存在一個系數(shù)是超構(gòu)表面級別Jones矩陣的傅里葉變換的傅里葉展開。這使得傳感器平面上波的偏振調(diào)控成為可能。基于這一進展，我們演示了一種僅使用超構(gòu)表面和準直透鏡的偏振相機，它可以在一次拍攝中捕獲來自場景每個點的光的偏振（Rubin et al. Science 2019, 365, eaax1839），與商用偏振相機相比，復雜性更低、體積更小。矩陣傅里葉光學在概念上是新的。正如Noah Rubin和Aun Zaidi（我的另一個之前的學生）近所展示的那樣，它為根據(jù)入射偏振來實現(xiàn)和調(diào)控全息圖提供了[敏感詞]的機會（Rubin et al. Science Advances 2021, 7, eabg7488）。

圖5 基于超構(gòu)表面的偏振相機及成像效果（DOI: 10.1126/science.aax1839）

R.Q.：超構(gòu)表面領域的發(fā)展是否超出了您初的預期？

F.C.：我沒想到該領域會在這么短的時間內(nèi)發(fā)展得這么快。當我們開始時，我知道創(chuàng)建一家公司是正確的選擇。我的學生Rob Devlin開發(fā)了二氧化鈦超構(gòu)透鏡的制造工藝，他作為聯(lián)合創(chuàng)始人加入了我的公司團隊，現(xiàn)在他是Metalenz的首席執(zhí)行官（CEO）！我們找到了一些投資者，但后來我們的公司差點就倒閉了！一位對我們深信不疑的投資者使公司起死回生?，F(xiàn)在我們的超構(gòu)透鏡將用于智能手機上！事實上，[敏感詞]的新聞是Metalenz和主要半導體代工廠之一的聯(lián)合電子公司（UMC）近達成的協(xié)議，基本上是將半導體加工應用于我們的超構(gòu)透鏡的量產(chǎn)。這在技術上是革命性的，改變了之前的游戲規(guī)則。到目前為止，在從智能手機到筆記本電腦等各種設備的所有攝像頭模組中，存在兩種技術：用于芯片的半導體技術和用于透鏡的塑料成型技術。從現(xiàn)在開始，基于DUV光刻的技術將可被同時用于光學器件和芯片制造。

圖6 Metalenz聯(lián)合UMC將超構(gòu)透鏡推向市場

這是可以預見的嗎？幾年前，我確實看到了這種融合的潛力，但現(xiàn)在，它基本上已經(jīng)成為了現(xiàn)實。在如此短的時間內(nèi)這是一個大新聞。我們的公司Metalenz是2016年創(chuàng)辦的，現(xiàn)在還不到10年。這是一個令人印象深刻的記錄。

R.Q.：您認為超構(gòu)表面領域未來的主要發(fā)展方向是什么？

F.C.：ACS Photonics期刊發(fā)布的超構(gòu)表面路線圖中概述了其中一些內(nèi)容，例如，在量子光學領域，我們還想知道是否可以做類似廣義Hong-Ou-Mandel實驗的研究，在該實驗中我們可以觀察預先選擇的衍射級之間的光子相關性，基本上是糾纏態(tài)。你可以做一些有趣的研究。到目前為止純粹是科學研究價值，但未來誰知道呢？

不僅在橫向平面上，而且在沿著傳播方向?qū)膺M行結(jié)構(gòu)化正迅速成為一個令人興奮的研究方向。例如，人們能夠設計出沿著光軸附近的傳播方向產(chǎn)生渦旋演化的超構(gòu)表面，正如我的團隊中的博士后Ahmed Dorrah所展示的那樣（Dorrah et al. Nature Communications 2021, 12, 6249）。一個同樣有趣且發(fā)展迅速的領域是我所說的“結(jié)構(gòu)暗場”（structured dark），即設計空間區(qū)域（稱為奇點）的能力，在這些區(qū)域中，光強度為零且相位不確定。光學渦旋的軸是一維的例子。我的前研究生Daniel Lim演示了以心形表面形式創(chuàng)建二維奇點的超構(gòu)表面（Lim et al. Nature Communications 2021, 12, 4190）。

圖7 心形相位奇異超構(gòu)表面及其表征（DOI: 10.1038/s41467-021-24493-y）

可調(diào)諧性仍然很有趣，但我們需要做更多的研究。例如，我們近開始了將空間光調(diào)制器（SLM）與超構(gòu)表面相結(jié)合的研究工作。SLM是可調(diào)諧元件，可以與超構(gòu)表面級聯(lián)。在這一領域，我們有許多非常有趣的想法。

混合超構(gòu)表面為可調(diào)諧性提供了重要機會。Cristina Benea Chelmus現(xiàn)任瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院（EPFL）教授，她制造了一種硅納米柱涂覆聚合物的可調(diào)諧超構(gòu)表面，具有創(chuàng)紀錄的高電光系數(shù)，并展示了在電信波長下的GHz快速調(diào)制器（Ileana-Cristina Benea-Chelmus et al. Nature Communications 2022, 13, 3170）。

圖8 基于和硅-有機超構(gòu)表面的GHz電光調(diào)制器（DOI: 10.1038/s41467-022-30451-z）

這讓我想到了另一個重要的問題。當我開始研究量子級聯(lián)激光器（QCL）時，我想到我必須使用人們已經(jīng)非常了解的材料。因為如果我們必須從頭發(fā)明概念和材料，那么開發(fā)工作可能需要10年，有時甚至20年！我于70年代中期來到貝爾實驗室，開始與Al Cho一起共事，他在20世紀60年代末開創(chuàng)了分子束外延（MBE）。20世紀80年代，他正在開發(fā)高質(zhì)量的砷化鋁銦和砷化鎵銦。當我看到這些材料具有良好的隧穿共振特性時，我認為這是制造量子級聯(lián)激光器的正確方法。我選擇了這些材料，這比嘗試使用砷化鎵/砷化鋁鎵要好得多，雖然后者也有效，但帶來了額外的挑戰(zhàn)。同樣的事情也適用于超構(gòu)表面。我總是告訴自己和我的員工，如果我們想在設計層面進行創(chuàng)新，就讓我們嘗試使用人們熟知的材料，如非晶硅、硅、玻璃和二氧化鈦等；否則，問題就會變得過于復雜。

R.Q.：那么，您是否認為，現(xiàn)在我們對超構(gòu)表面有了更好的了解，是時候探索替代材料了嗎？

F.C.：可能是這樣。有一些非常有趣的材料，例如復合氧化物。事實上，我們有一個關于鈦酸鋇的項目，它的電光系數(shù)非常大，我相信是鈮酸鋰的20倍。我們正在與德克薩斯大學（University of Texas）的Alex Demkov教授的團隊合作，他是這方面的先驅(qū)。雖然目前還沒有達到與鈮酸鋰競爭的階段，但肯定已經(jīng)到了嘗試制造一些相關器件和一些有趣的非線性光學器件的階段。另一種可能是氧化鉿。

R.Q.：[敏感詞]限度地提高超構(gòu)光學（Meta-optics）在市場中的滲透率所面臨的主要挑戰(zhàn)有哪些？

F.C.：一項有待解決的挑戰(zhàn)是制造大尺寸且無色差的寬帶超構(gòu)透鏡。我們已經(jīng)制造了一個幾毫米的超構(gòu)透鏡，利用逆向設計來校正RGB的色差，觀察到RGB的焦點基本一致，誤差在百分之幾以內(nèi)。雖然實際應用尚未實現(xiàn)，但我不認為它的興起會顛覆所有。

讓我明確地說，折射光學元件將永遠存在。如果說我們要更換所有折射光學器件，那就太愚蠢了。折射光學元件將在顯微鏡以及許多其它領域保有應用。事實上，我們曾與蔡司（Zeiss）合作，對我們的超構(gòu)透鏡像差進行了一項非常好的研究。我知道折射光學元件具有持久力，可能是永遠的。但我預計，超構(gòu)光學將占據(jù)越來越大的領域。

擴展到大尺寸也是一個有趣的問題。我們剛剛在ACS Nano期刊上發(fā)表了一篇論文（Park et al. ACS Nano 2024, 18, 3187–3198），研究了由玻璃制成的直徑10 cm的超構(gòu)透鏡。這是[敏感詞]的美國國防部資助機構(gòu)DARPA三年前給我的挑戰(zhàn)。他們要求我制造盡可能大的超構(gòu)透鏡，并給了我們一年半的時間。剛剛獲得博士學位的[敏感詞]學生Joon Suh Park取得了成功！雖然，該超構(gòu)透鏡是單色的，但我們做了一些非常有趣的事情。我們將它安裝在建筑物頂部的望遠鏡上來觀察星云。利用超構(gòu)透鏡獲得了非常好的恒星和星云的圖片。該超構(gòu)透鏡與您可以購買的業(yè)余望遠鏡的傳統(tǒng)折射光學器件的效果相當。我認為考慮更大得多的超構(gòu)透鏡是不現(xiàn)實的，但誰知道呢？

圖9 直徑100 mm的超構(gòu)透鏡（DOI: 10.1021/acsnano.3c09462）

近，我們還探索了XUV區(qū)域。我團隊的博士后Maryna Meretska在XUV（50 nm波長）區(qū)域制造了一種透射超構(gòu)透鏡，這是一種真正的納米制造杰作，我們在幾個月前發(fā)表了介紹這一成果的論文（Ossiander et al. Science 2023, 380, 59–63），并與格拉茨大學（University of Gratz）的Martin Schultze教授合作對其進行了高次諧波產(chǎn)生測試。Martin Schultze曾是Ferenc Krausz的學生，后者是今年阿秒（attosecond）科學領域三位諾貝爾物理學獎獲得者之一。新的杰作是一種用孔代替柱作為聚焦元件的超構(gòu)透鏡，因為在這個波長區(qū)域，硅的折射率小于1。那么，實際上起到引導作用的是真空，這是我的前博士后Marcus Ossiander的一個聰明想法。我們稱它們?yōu)檎婵找龑У某瑯?gòu)透鏡，它涉及一個非常有趣的物理學問題。

圖10 真空引導的XUV超構(gòu)透鏡（DOI: 10.1126/science.adg6881）

也許這種超構(gòu)透鏡也將成為一項實用的技術，因為XUV中沒有透射光學器件，只有反射鏡和菲涅爾波帶片。然而，菲涅爾波帶片的焦點相當混亂。有很多東西是你不想要的。因此，透射式XUV透鏡也許有潛力，至少在科學上是有潛力的。我們對繼續(xù)進行這種合作感到非常興奮。

R.Q.：如今，超構(gòu)透鏡有前景的應用是什么？

F.C.：如果從攝像頭模組的角度來看，就會發(fā)現(xiàn)超構(gòu)透鏡在設計方面具有優(yōu)勢。例如，從根本上講，像差校正肯定更直接，原因我之前提到過。Metalenz銷售的超構(gòu)透鏡針對傳感應用（包括深度和面部）的單一波長進行了優(yōu)化。盡管我們還沒有可以商業(yè)化生產(chǎn)的尺寸大于幾百微米的寬帶超構(gòu)透鏡，但與使用不同材料的多個體型折射透鏡相比，您可以使用單個光學元件來制造它們，這從根本上來說是一個巨大的優(yōu)勢。Metalenz是一家無晶圓廠（fabless）公司：它設計攝像頭模組，然后由主要半導體公司使用由非晶硅超構(gòu)透鏡和光圈構(gòu)成的單個光學元件進行制造。這就是校正球差、慧差、散光等三階像差所需的全部！這是一種重大的突破！

當然，這些應用的另一個優(yōu)勢是平整度和重量。平整度很重要，因為在攝像頭模組中，傳感器通常需要與四個塑料透鏡非常仔細地對齊，這是由高度專業(yè)化的公司執(zhí)行的任務。由制造傳感器芯片的同一代工廠制造的超構(gòu)光學器件的重量和厚度更小，并且易于對準，是降低攝像頭模組成本的一個重要因素。盡管攝像頭模組是大批量產(chǎn)品，但如果使用超構(gòu)光學技術，它們可以以更高的利潤出售。

當前的挑戰(zhàn)是[敏感詞]限度地提高超構(gòu)透鏡的聚焦效率。由于具有衍射特性，它們無法實現(xiàn)與折射光學元件接近一致的效率，但通過適當?shù)脑O計，它們在設計波長（例如非晶硅的940 nm）下可以達到90%以上的效率。在不產(chǎn)生色差的情況下，要在毫米級和更大尺寸的寬帶和RGB超構(gòu)透鏡中實現(xiàn)與折射透鏡相當?shù)男适且淮筇魬?zhàn)，這將需要逆向設計和機器學習。但應用場景決定了所需的性能。

R.Q.：其它應用領域呢？內(nèi)窺鏡檢查和生物醫(yī)學成像也會受益于超構(gòu)透鏡嗎？

F.C.：我們與馬薩諸塞州總醫(yī)院（MGH）的Melissa Suter教授團隊合作開展了一個項目，他們將我們的非晶硅近紅外透鏡集成到他們的光學相干斷層掃描儀（OCT）中，以對早期階段的尺寸與波長相當?shù)闹夤苣[瘤進行成像。

對了，還有我以前的博士后Reza Khorazani，他是2017年論文的[敏感詞]作者，他擁有一家名為Leadoptik的公司，該公司正在將用于微創(chuàng)手術的微型成像儀器商業(yè)化。

另一個重要領域是汽車市場。汽車現(xiàn)在配備了眾多的傳感器來監(jiān)控各種情況：檢測您是否在睡覺、觀察后方等等。這些傳感器的供應商正在努力提高性能并減少SWaP（尺寸、重量和功耗），這是一個流行詞，指的是減小設備的整體尺寸和重量，同時提高其效率并降低總體體積。這個市場正蓄勢待發(fā)，在這種背景下，近我們與UMC的量產(chǎn)合作可以為Metalenz帶來重大機遇。

我們申請了很多專利，并授權(quán)給Metalenz。因此，我們擁有非常強大的知識產(chǎn)權(quán)（IP）地位。然而，這種優(yōu)勢從來都不是[敏感詞]的，因為其它公司可以通過各種競爭手段來試圖繞過這些專利。

R.Q.：終，許多這些不同的應用都可以看作是在無人機上集成緊湊和輕質(zhì)光學器件的原始理念的一種廣義化，不是嗎？

F.C.：[敏感詞]正確。我的意思是，無人機仍然是一個非常相關的應用。我必須告訴你，我們在美國宇航局（NASA）支持下，在緊湊型偏振敏感相機方面有兩項重大合作。一項在地球科學領域，另一項在太陽物理學領域。事實上，我們現(xiàn)在正在研究的是一種完全平面的偏振敏感相機。偏振靈敏度可以讓您看到場景中原本看不見的細節(jié)。如果從偏振方位角的角度觀察場景，您會看到標準圖像中看不到的信息，包括更大的深度。

與現(xiàn)有的索尼偏振相機相比，我們的超構(gòu)透鏡相機更具優(yōu)勢。索尼的相機只能觀察線偏振，而我們的相機還能檢測圓偏振。如果光從膠體多次散射，就會產(chǎn)生圓偏振。地球科學的一個應用是研究云層，這在氣候研究的全局中非常重要。

我們的相機也與太陽物理學有關，用來跟蹤特定的原子躍遷，因為太陽磁場的作用，這些躍遷會產(chǎn)生圓偏振光，這是研究日光層的一個很好的標志。

R.Q.：看到超構(gòu)光學在基礎研究和消費市場應用等不同方向上的發(fā)展是多么令人興奮啊！

F.C.：當然，我預計在這兩個方面都會發(fā)生許多令人興奮的新進展，因為超構(gòu)光學能夠通過設計和調(diào)控振幅、相位和偏振等，以基本上任意方式實現(xiàn)波前調(diào)控。由于色散工程，超構(gòu)光學有望創(chuàng)建一種在折射和標準衍射光學方面無可比擬的新型光學元件，特別是在使用超構(gòu)表面實現(xiàn)的結(jié)構(gòu)雙折射的偏振調(diào)控領域和全息術領域。我還看到了未來在實現(xiàn)超越空間光調(diào)制器能力的電氣和光學新調(diào)諧模式方面的巨大創(chuàng)新機會。由于超構(gòu)表面的出現(xiàn)，結(jié)構(gòu)光/暗場和量子技術的前景將繼續(xù)擴展。在這里，我預見到，將能夠產(chǎn)生奇異量子態(tài)的二維材料與超構(gòu)表面提供的波前調(diào)控相結(jié)合，將引發(fā)基于光與物質(zhì)之間強耦合的新現(xiàn)象和新器件的發(fā)現(xiàn)。未來確實看起來非常光明！

R.Q.：非常感謝您分享觀點和見解。

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https://doi.org/10.1021/acsphotonics.4c00122