- 文献综述
- 引言
玻璃透镜是人类最早期的高科技发明之一。它们让伽利略能够看得到木星的卫星，让安东尼·凡·列文虎可观察微生物，让很多的人可以更清楚地看这个世界。但今天的透镜还在以与几个世纪之前同样的粗糙方式在生产，通过打磨和抛光玻璃以及其他透明材料使其聚光且不产生色差。现在，透镜技术正在向前迈进一大步。
- 从曲面透镜到平面超透镜
几百年来，光学镜头一直是科学家的最佳工具之一。它们的操作在经典光学的基础上得到了很好的理解：曲面通过折射率对比度聚焦光线。同样，它们的局限性也是由波动光学所决定的：没有一个透镜可以将光线聚焦到小于方形波长的区域。
在2000年，Pendry提出负折射是一个完美的镜头[1]概念。对于传统的镜头，图像的清晰度总是受到光的波长的限制。一个非常规的替代透镜的负折射率材料板，有能力聚焦2D图像的所有傅里叶分量，甚至那些不以辐射方式传播的分量。当时的技术可以在微波频段实现这种“超级透镜”。他的模拟显示，在可见光频率下工作的透镜可以以薄的银片形式实现。发现负折射率材料不仅能够恢复传播波的相位，还能够恢复消散状态的幅度。对于非常短的距离应用静电或静磁限制，使得实际的实现能够以银板的形式被模拟。该装置聚焦调谐到银的表面等离子体频率的光，并且仅受到金属中的电阻损耗的限制。这个光学版本解决了只有几纳米的对象，让透镜的应用范围大大增加。
2012年，科研人员又通过实验证明了一种基于螺旋性依赖的圆偏振光相位不连续性的反直觉双极性平面透镜[2]。具体而言，通过控制输入光的螺旋性，正负极性在一个相同的平面透镜中是可互换的。在可见和近红外波长的相同等离子体透镜上观察到可控制的真实和虚拟焦平面，以及放大和缩小的成像。相同的等离子体透镜的聚焦特性可以在凸透镜和凹透镜之间改变，这与具有固定极性的传统透镜形成鲜明对比。平面镜头为相位不连续装置的新应用开辟了一条途径，并且也可能对纳米光电集成装置产生影响。平面超透镜将会更加广泛的应用到生产生活的个个领域中。
- 从复合透镜到阵列超透镜
早在1986年，Ashkin等人报道了光学镊子[4]的存在。采用高度集中的激光束来捕获和操纵微粒和生物细胞。在水中从10mu;m到-25nm的整个范围内观察到捕获。新陷阱的使用扩大了光学陷阱和操纵良好的瑞利尺寸宏观粒子的大小范围。这个陷阱原理的应用被认为是原子陷阱。这个发现由于其无创性和高分辨率的优点，已经在物理学和生物技术领域得到了广泛的应用，例如在用光学旋涡，光学致动器，光学镊子和激光制导。
2008年，BU J等人所提出的光学分选系统利用具有两个级联偏转角的复合MLA[5]来提供大的分离角度的方法，而无需向分选系统施加额外的激光功率成本。当激光功率相对偏转角优化以用于分选效率时，这为光学分选系统提供了优势。随后又提出了衍射型Dammann光栅[6]用于产生用于多重光学俘获和光学分选的光学晶格。这种复合透镜的优点是简单，可靠并拥有更高的衍射效率，考虑到这种制造技术的灵活性，Dammann光栅可以很容易并且容易地以最小的修改结合到现有的光学捕获和分选系统中。光学捕获和分选技术正在生命科学，诊断学，分析化学和生物分析化学中发挥重要作用。为了操纵微米大小的微粒，如微粒和哺乳动物细胞，可以使用常规的光阱系统，通过折射，衍射，全息和相干技术辅助梯度力和散射力的作用[8-11]。为了操纵亚微米和/或纳米尺寸的颗粒，例如纳米颗粒和蛋白质或DNA分子，必须使用光学捕获系统具有超越衍射极限的新机制，例如近场eva逝俘获和局域表面等离子体诱导的散射场俘获[12,13]。在捕获这些颗粒之后，可以通过标记或无标记的方法分离或分类[14-16]。随着便携式便捷的分析和诊断的要求，芯片实验室技术正在变得越来越重要。
然而这些复合透镜一般都体积大、价格昂贵，妨碍它们集成到紧凑和具有成本效益的系统中。超曲面允许传统的折射光学器件小型化成平面结构，这样就能完美解决复合透镜的问题。最近KHORASANINEJAD M研究表明高深宽比NA=0.8的二氧化钛超材料表面可以制造和设计作为超透镜[3]。在405,532和660nm的波长处展示衍射受限聚焦，相应的效率为86％，73％和66％。元显微镜可以解析由亚波长距离分隔的纳米级特征，并提供高达170倍的放大率，图像质量可与最新的商业目标相当。研究结果确定，超透镜可以广泛应用于基于激光的显微镜，成像和光谱学。紧凑型结构使得便携式/手持式仪器能够应用于许多领域。虽然这种超透镜仍受到现有纳米加工技术的现在，并且容易出现色差，但是元透镜的单层光刻制造可以利用用于制造集成电路的现有的代工技术（深紫外线步进器），这对提高产量是有至关重要的作用。
- 总结
透镜是人类发现世界和改造世界的工具之一。曲面透镜的图像清晰度受到光的波长限制，一般复合透镜体积庞大价格昂贵不利于集成到紧凑切具有成本效益的系统中，单个聚焦光点透镜也受到现有纳米加工技术的限制，阵列超透镜却能很好的解决这一系列问题。未来阵列超透镜必将会广泛应用于医学、军事以及我们的日常生活中来。
- 参考文献：
- PENDRY J B.Negative refraction makes a perfect lens[J].Phys Rev Lett,2000,85(18):3966-9.
[2]CHEN X Z,HUANG L L,MUHLENBERND H,et al.Dual-polarity plasmonic metalens for visible light[J].Nat Commun,2012,3(
[3]KHORASANINEJAD M,CHEN W T,DEVLIN R C,et al.Metalenses at visible wavelengths:Diffraction-limited focusing and subwavelength resolution imaging[J].Science,2016,352(6290):1190-4.
