光學超表面（MS）是一種新型的平面光學元件，由于其緊湊性、多功能性以及設備集成性的優點，正深刻變革著光學設計領域。本期文章將介紹現有的用于超表面檢測的光學計量技術，包括振幅、偏振、定量相位測量以及疊層成像等  ，最后討論了超表面在光學計量中的應用以及未來的發展趨勢。

引言

過去十年間，平面結構化光學界面（即超表面）發展迅猛。超表面本質上是平面器件，可借助半導體制造工具和設備進行生產，有望實現晶圓級制造以及與光電子系統集成。盡管超表面發展前景廣闊，但實現工業化仍面臨諸多挑戰。其中，確保制造出的超表面達到設計階段預期的光學性能至關重要，且這一要求需在高產量條件下達成，即同一晶圓上生產的數千個器件都要滿足性能標準。半導體行業通過在制造過程中進行多次連續和并行測量來解決類似問題，因此，超表面光學元件的工業化生產也需要適配的先進計量技術，以推動其性能提升，加速系統集成和工業應用進程。此外，當成功制造超表面后，仍需專用光學計量技術來驗證其光學特性，而且，超表面集成到系統和復雜器件中時，也需要測量來保證最終產品符合規格。因此，無論是超表面元件還是完整系統，都需要計量和驗證測試。

超表面原理

超表面是由納米結構元素組成的，這些元素位于分隔兩種介質的界面處。這些納米結構可用于控制透射光和反射光的光學特性。超表面的優勢是通過在納米結構處對入射光產生相移來實現波前控制。傳統的應用包括可以實現光任意角度偏轉的偏轉器、具有聚光功能的超透鏡、可以投影用戶定義的強度分布的全息圖等。而實現相移的方法可以歸結為三種類型：

1） 傳播相位型：該種方法利用高縱橫比的電介質結構充當小波導，通過控制結構的有效折射率，即通過控制圓柱直徑，來控制相同高度柱體透射的相位延時，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，構建塊是充當局部旋轉半波片的雙折射結構，將入射圓偏振光轉換成其交叉偏振，相移正好對應于元件之間的局部旋轉的兩倍，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

超表面振幅測量表征

本節主要分為兩部分，首先是常用振幅的測量方法，重點是普遍適用于所有超表面，然后是處理特定應用的振幅測量，強調與超表面的操作功能相關的參數。

常用振幅測量

透射/反射效率：

超表面相對于傳統衍射光學元件（DOE）的顯著優勢在于其更高的衍射效率，即被引導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。當超表面尺寸大于光學探測光束直徑時，使用功率計即可便捷測量效率；而對于微米尺寸的小面積超表面，由于光學探測光束通常比超表面孔徑寬，則需對器件成像并選取超表面孔徑區域的信號進行測量，也可使用 CCD 相機拍照并進行數值后處理歸一化操作。

轉換效率：

基于貝里相位超表面的裝換效率主要取決于偏振轉換效率。其發生在從一個圓偏振旋轉向到另一個時，兩個相同的相鄰元件對轉換后的偏振光束施加不同的局部相位延時，其等于兩元件之間相對方向角的兩倍。因此，轉換效率被定義為轉換偏振信道中的光的功率除以總傳輸功率。

透射/反射和轉換效率是直接測量的，因此，它們的精度主要取決于光學裝置的對準以及不同光學元件的質量。

特定應用的振幅測量

超透鏡特性：

超透鏡需要表征兩個關鍵屬性：分辨率和信噪比（SNR）。分辨率通常被定義為點擴展函數（PSF）的半高全寬（FWHM）。PSF是超透鏡在點光源照射下焦平面上的光強分布。比如，將準直光束發送到具有足夠小直徑的針孔上，以此來模擬點源，如圖2所示。但使用PSF的FWHM作為分辨率度量是有局限性的，因為像差更多地影響PSF的旁瓣，而不是中心瓣的直徑  。因此有研究建議使用調制傳遞函數（MTF）來更全面地評估分辨率，MTF 與 PSF 的傅里葉變換相關，能包含 PSF 的所有信息。SNR是通過測量聚焦效率來表征，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測量的光學設置示例

偏轉特性：

超表面其中一個應用是光束偏轉。該器件可以將光偏轉到任何所需的角度。它的特性通常包括確定偏轉角以及偏轉效率。后者被定義為所需階次的功率與其他階次的總發射功率之間的比率。兩種方法可用于實驗表征，即直接測量和k空間測量。

超表面相位測量表征

超表面的一個核心應用是依靠結構單元引入相移突變來設計光的波前。因此，在制造后能夠準確地表征有效相移是至關重要的。但是任何光電探測器都沒法直接測量空間相位分布，因為它提供的信息只有強度。然而，有幾種方法可以從強度測量中提取相位信息。

這些方法可以分為兩類：

1）強度干涉法，從幾個光束的干涉圖案推斷相位輪廓；

2）相位恢復法，基于通過光束傳播和衍射的空間強度分布的演變來重建相位輪廓。

強度干涉測量方法：

強度干涉法是利用至少兩束光產生干涉，通過干涉圖樣直接推導出光束的相位信息。根據原理的不同，干涉測量方法可以分為兩類：

1）參考光束干涉測量法  ，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，另一束探測超表面，兩束光再重新組合到光學傳感器上。通過測量兩束光的相位差，在減去無超表面時的相位差，并進行校準以消除參考相位項和其他像差的空間變化后，即可得到超表面的相位輪廓。

2）剪切波干涉測量法，其示意圖如圖3（b）所示。不使用參考光束，光通過超表面后被復制并在傳感器上干涉產生多光束自干涉圖案。該方法測量的相位是相對的，通過對干涉強度圖案進行數值積分來恢復入射光束的相位。

圖3 （a）參考光束干涉測量系統；（b）剪切波干涉法測量系統

相位恢復法：

由衍射理論可知，通過光在給定平面上的場分布、振幅和相位，就有可能確定遠場的場分布。相反，簡單地測量給定平面上的光強分布并不足以恢復原始波前，因為會丟失相位信息，測量光強分布只會產生模糊性，并不能直接進行波前重建。相位恢復法利用光傳播過程中初始光學信息產生不同但相關的強度圖案這一特性來恢復相位。

其中兩種相位恢復法已成功地用于表征超表面：

1）傳輸強度方程，通過分析透射光束在其傳播過程中的強度變形來獲得超表面的相位輪廓；

2）疊層成像法，通過對樣品進行局部和順序照明，從不同的遠場強度圖案中恢復相位信息。

超表面偏振測量表征

通過合理設計超表面結構單元的幾何形狀，可靈活控制光的偏振，實現從矢量全息、偏振濾波到偏振復用等多種功能，此外，偏振控制還在材料檢測、生物成像、光通信等眾多領域也至關重要。光的偏振態（SoP）由三個量表征，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=[S  ，S  ，S  ，S  ]  中的四個斯托克斯參數是由一組強度測量確定的量，其滿足如下關系  ：

傳統上，通過測量與六個偏振態相關的強度來確定四個斯托克斯參數，進而得到偏振態參數。為提高偏振測量分辨率，可增加測量的強度數量，且測量的偏振態在龐加萊球上的分布越均勻，偏振態測量越精確。而測量技術也分為多種類型：

1）時間分割偏振測量法：通過順序獲取強度輪廓來測量偏振態，但該方法不適用于需要高速測量的應用場景，且使用波片會使表征裝置具有色散性。

2）振幅分割偏振測量法：通過將光束分割為多束并分別分析來同時獲取斯托克斯參數，可提高采集速度，但受振幅細分數量限制。

3）波前分割偏振測量法，在波前的多個位置進行分割和測量，其中基于微透鏡陣列的焦平面分割法具有緊湊、采集同步的優點，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，如需實現全斯托克斯成像，需集成延時器。

超表面在光學量計量中的應用

隨著超表面的發展，其在光學量計量領域也展現出巨大潛力，可用于替代和改進現有光學計量儀器中的組件。在偏振測量方面，超表面為高效緊湊的偏振計設計提供了新機遇?；诔砻娴钠裼嬂闷涔鈱W工程特性，可將光分離到不同方向，每個方向對應一個用戶定義的偏振態，從而實現單次采集完成全偏振態測量。這類偏振計可分為振幅分割型或波前分割型，將多個光學和偏振組件替換為單個超表面，不僅具有強大的集成能力，能同時分析和空間分選多個偏振態，而且小尺寸超表面易于制造，特別適合用于偏振相機。例如，已展示的基于超表面的全斯托克斯偏振相機，可實現高精度的偏振測量，其示意圖如圖5（a）所示  ；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，能以較高精度確定斯托克斯矢量，其示意圖如圖5（b）所示  。

圖5 基于超表面的（a）偏振相機示意圖，（b）偏振計示意圖

超表面在相位表征技術方面也有望帶來變革。其多功能性，如偏振和空間復用能力，可產生復雜的干涉圖案，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已取得進展，例如受經典微分干涉對比（DIC）顯微鏡啟發的緊湊型定量相位顯微鏡，利用雙層多功能介質超表面實現了小至0.207 rad的相位差測量，其示意圖如圖6（a）所示  ；還有基于超表面的其他定量相位顯微鏡，可測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，超表面還可用于經典哈特曼掩模架構中，實現相位和偏振的同時測量，其示意圖如圖6（b）所示  。

圖6 基于超表面的（a）QPGM示意圖，（b）哈特曼光束輪廓儀示意圖

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