这篇论文的研究内容由韩国浦项科技大学的Junsuk Rho及其所在团队完成，发表在《Nano Convergence》期刊上。本文综述了金属透镜（metalenses）的最新进展，探讨了其基本原理、功能性及应用，尤其是在成像系统和光谱仪中的应用。
金属透镜是一种基于超材料（metasurfaces）的新型光学元件，能够通过周期性排列的亚波长散射体（meta-atoms）调制光的特性，如相位、幅度和偏振等。与传统的折射或衍射透镜相比，金属透镜具有更大的自由度，能够实现更复杂的光学功能，如可调性、高数值孔径（NA）和像差校正等。这些特性使得金属透镜在成像系统、光谱仪等光学系统中具有广泛的应用潜力。
论文首先介绍了金属透镜的基本原理，包括材料选择、相位调制方法和设计方法。金属透镜的材料选择至关重要，通常根据目标波长的不同而有所变化。研究团队探讨了金属、金属-绝缘体-金属（MIM）、介电材料及工程介电材料等不同材料的优缺点，强调了在可见光范围内，介电材料因其低损耗而更具优势。Chen等人使用金（Au）制造了一种在可见光区域工作的双极性金属透镜，展示了金属透镜在不同偏振光下的相位调制能力。
相位调制方法是金属透镜设计的核心，主要包括共振相位、传播相位和几何相位等。通过调整meta-atom的形状、尺寸和旋转角度，可以实现对光的精确调制。此外，论文还讨论了前向设计和逆向设计的区别，指出逆向设计能够提供更多的自由度，从而实现更复杂的金属透镜设计。逆向设计方法的应用使得研究人员能够在设计过程中优化金属透镜的性能，尤其是在实现高数值孔径和宽波段操作方面。
在功能性方面，金属透镜展现出多功能性、可调性、高NA、集成性和像差校正等优点。研究团队介绍了多功能金属透镜的实现方法，这些透镜的响应可以根据入射光的偏振、强度和轨道角动量（OAM）进行调节。例如，研究中提到的双焦金属透镜能够根据左旋和右旋圆偏振光的不同而改变焦距。可调金属透镜的研究也取得了显著进展。通过外部刺激（如电压或机械应变），金属透镜的焦距可以实现动态调节。这种可调性为金属透镜在实际应用中的灵活性提供了新的可能性。
在应用方面，金属透镜在成像系统和光谱仪中展现出巨大的潜力。研究团队探讨了金属透镜在近眼显示系统和全色路由器中的应用，强调了其在增强现实（AR）和虚拟现实（VR）技术中的重要性。此外，金属透镜的紧凑性和高性能使其在移动设备和便携式光学设备中具有广泛的应用前景。特别是，研究中提到的使用Nanoscribe设备Photonic Professional GT制造金属透镜的技术，展示了在微纳米尺度上实现高精度和高效率的可能性，这为金属透镜的实际应用提供了强有力的支持。
尽管金属透镜的研究取得了显著进展，但仍面临一些挑战。首先，材料的选择和制造工艺对金属透镜的性能有直接影响，尤其是在可见光范围内，材料的损耗和相位调制效率仍需进一步优化。其次，金属透镜的设计和制造过程复杂，尤其是在大规模生产时，如何保持高精度和一致性是一个亟待解决的问题。此外，金属透镜在高数值孔径（NA）和宽波段操作方面的性能仍有待提高。尽管逆向设计方法为金属透镜的优化提供了新的思路，但其计算成本和复杂性也给研究带来了挑战。
展望未来，金属透镜的研究将继续朝着更高性能和更广泛应用的方向发展。随着材料科学和制造技术的进步，金属透镜有望在更多领域实现应用，如生物成像、光通信和传感器等。此外，结合人工智能和机器学习等新兴技术，逆向设计方法的优化将进一步推动金属透镜的创新。总之，金属透镜作为一种新兴的光学元件，凭借其独特的设计理念和广泛的应用潜力，正在引领光学领域的变革。随着研究的深入和技术的进步，金属透镜有望在未来的光学系统中发挥越来越重要的作用。
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https://doi.org/10.1186/s40580-023-00372-8