-- ||文献阅读|| --
Mechanically tunable focusing metamirror in the visible
FEI CHENG, LIANGYU QIU, DANIEL NIKOLOV, AARON BAUER, JANNICK, P. ROLLAND,
AND A. NICK VAMIVAKAS
-- ||导读|| --
2019年5月27日罗切斯特光学中心的FEI CHENG等人在OPTICS EXPRESS上发表了一篇机械可调焦超透镜的文章，该文章引用了很多加州理工Ehsan Arbabi等人的文章。
-- ||背景介绍|| --
具有动态可调焦距的紧凑平面镜头将是先进可重构光学系统的重要组成部分。与传统的光学元件不同，传统的光学元件对光电器件的小型化造成物理障碍，可实现光控制的平面光学器件最近引起了极大的关注。实现平面可调透镜的一种方法是利用超表面的设计，超表面是能够调控入射光波前的二维纳米结构。当在可以被调制的基板上制造具有双曲面相位轮廓的超表面（超透镜）时，可以动态地调节其焦距。
-- ||创新与结论|| --
基于高反射GSP谐振器，作者展示了一种反射型，机械可调，超薄平面超曲面，能够动态修改反射光的波前。作为概念验证，通过简单地拉伸封装聚合物膜，可以显着且无缝地改变所展示的镜面的焦距，这也增加了对器件的机械和化学稳健性。本文作者设计并实现了第一种反射类型，即在可见光区（670 nm）内工作的可调谐超透镜。分别进行了方案仿真计算和实验验证。结果表明，在保持衍射极限聚焦和高聚焦效率的同时，焦距可以连续调节高达45％，基板横向拉伸0％至20％。 我们作为平面光学元件的设计具有广泛应用的潜力，例如可穿戴混合现实系统，生物医学仪器和集成光学器件。
-- ||图文一览|| --
图一 可调超透镜工作原理示意图。
（a）反射式超透镜，间隙表面等离子体包裹在弹性聚合物中，透镜长度为L时焦距为F。
（b）当聚合物被均匀拉伸时，超透镜长度拉长（1+S）倍，焦距变为F，。
小结：基于间隙表面等离子体设计了超透镜，利用聚合物的可拉伸特性，与超表面结合起来，实现对相位梯度的机械调控，达调焦的功能。
图二 超透镜方案论证结果
（a） 基本单元示意图，周期330nm，从上到下厚度分别为30nm，50nm，75nm，顶层银离聚合物顶端200nm。
（b） 扫描结构长宽得到的相位分布和振幅分布图，光波长670nm。
（c） 计算得到的不同拉伸比例下的聚焦效果图，焦点有明显位移，超透镜尺寸9.9x9.9μm2。
（d） 光轴方向的光强分布图。
（e） 计算与理论焦距结果比较。
（f） 计算的聚焦效率。
小结：结构整体透过率较高，但相位分布并不是很均匀。没拉伸时焦点设计在3.7μm，当超透镜拉伸（1+S）倍时，按照傍轴近似，焦距近似变化（1+S）2倍。拉伸10%时，理论4.5，计算4.7,20%时，理论5.3，计算5.6，误差较小，方案验证焦距可调2μm，只做了20%的拉伸是根据采样定律和衍射极限的限制，最大拉伸为30%。焦距变化会引起聚焦效率的小幅减小。
图三 制造工艺
（a） 五步加工步骤。
（b） 步骤3的硅片上的100x100μm2结构的光学图像。
（c） B的SEM图。
（d） 步骤5的硅片上的100x100μm2结构的光学图像。
（e） D的SEM图。
小结：实验方面透镜尺寸变得更大。
图四 调焦超透镜调焦实验
（a） 白光照明观察超透镜结构，激光输入670nm的光束，。
（b） 拉伸超透镜装置示意图。
（c） 拉伸程度不同的超透镜光学成像图像。
小结：实验说明对应不同物距，可以通过调整电反射后通过相机成像压来调整焦距实现清晰的成像。
图五 可调焦超透镜实验结果
（a） 不同拉伸程度的焦点光斑图。
（b） 数值孔径与焦斑半高全宽的函数曲线，误差值由高斯拟合引入。
（c） 不同拉伸程度的光轴方向光强分布。
（d） 拉伸比例与焦点的关系曲线。
（e） 拉伸比例与聚焦效率的关系曲线。
小结：20%的拉伸比例可以实现200微米的调焦效果，焦距与拉伸比例的关系符合理论值，聚焦效率会有一点下降。聚焦效率小于理论值45%的原因主要有以下几点：第一，加工中纳米结构之间30nm的最小间隔难以保证准确，相邻结构之间有较强的耦合，影响了超透镜的相位分布，引入效率误差；第二，机械拉伸设备四角拉伸，导致入射光不是正入射到超透镜表面，引入误差；第三，拉伸不完美也会引入误差。
-- ||点评|| --
本文章提出可变焦透镜方案原理比较简单，没有多组超透镜对相对位移调焦，但其对调焦实验的分析思路还是很有意义的。
https://doi.org/10.1364/OE.27.015194
DOI: 10.1038/s41467-018-03155-6
报告人：冯兴 时间：2019.7.9
