中国科大与香港城市大学在传播相位型超透镜制造误差性能评估研究中取得新进展

研究简介

图1 | 期刊封面图。封面图以理想设计与实际制造误差下的超透镜聚焦行为为视觉主题，体现了该工作从制造误差出发评估超透镜系统性能的研究思路。

超透镜是基于亚波长人工微纳结构调控光场的新型平面光学器件，具有结构紧凑、设计自由度高、便于集成等优势，在微型成像、光学传感、片上光学和多功能光学系统中具有重要应用潜力。传播相位型超透镜通常通过调控介质纳米柱的几何尺寸实现所需相位分布。然而，在实际制备过程中，薄膜沉积、光刻和刻蚀等工艺会不可避免地引入结构偏差，例如纳米柱尺寸偏移、侧壁倾斜以及边角圆化。这些误差会改变单元结构的相位响应，并进一步影响整片超透镜的聚焦效率、焦距和焦斑形貌。 

图2 | 制造误差对传播相位型超透镜聚焦性能的影响示意图。实际加工中的尺寸偏差、侧壁倾斜和边角圆化会导致器件相位轮廓偏离理想设计，从而影响系统级聚焦表现。

已有研究对若干特定制造缺陷及其影响进行了分析，但多集中于单一误差类型、特定波段或特定器件结构，尚缺乏能够同时描述多种真实工艺误差并预测系统级性能变化的统一框架。针对这一问题，研究团队以工作波长为 532 nm 的 TiO2 纳米柱/ITO 衬底传播相位型超透镜为模型，分别分析了尺寸偏差、侧壁倾斜和边角圆化三类典型制造误差对单元相位响应的影响，并通过高斯函数对相位偏差分布进行统计建模。

图3 | 三类制造误差的几何建模。研究将实际工艺偏差抽象为统一尺寸偏差、侧壁倾角和边角圆化半径三个参数，使制造误差能够进入后续全波仿真和统计建模流程。

研究结果表明，尺寸偏差和侧壁倾斜是导致相位不确定性的主要来源，而边角圆化的影响相对较弱。不同高度纳米柱的相位偏差图进一步显示，随着纳米柱高度增加，传播相位对几何误差的敏感性增强。这一结果说明，在传播相位型超透镜的实际制备中，尺寸控制和刻蚀侧壁形貌控制是影响器件性能的关键工艺因素。

图4 | 不同制造误差下的相位偏差分布。尺寸偏差与侧壁倾斜引起明显相位扰动，边角圆化的相位影响较小，显示了三类误差对超透镜单元响应的不同贡献。

在此基础上，研究团队将不同误差来源引起的相位扰动合成为随机相位分布，并将其引入整片超透镜的目标相位轮廓中，进一步评估制造误差对聚焦效率、焦距偏移和焦斑尺寸的影响。该流程实现了从单元结构误差到整片超透镜系统性能的定量传递。

图5 | 统计相位误差建模流程。该框架先建立误差数据库并提取相位偏差分布，再通过高斯统计模型生成随机相位扰动，最终用于评估实际制造误差下的超透镜聚焦性能。

对于工作在 532 nm、孔径为 76.8 μm、焦距为 256 μm 的 TiO2 超透镜模型，研究团队开展了 100 次独立随机相位扰动模拟。结果显示，在常见实际制造容差范围内，传播相位型超透镜的焦距和焦斑质量基本保持稳定，主要性能变化表现为聚焦效率的适度降低。这说明小尺度制造误差通常主要带来能量损失，而不会导致焦点位置和焦斑形貌的灾难性失效。

图6 | 随机相位扰动下的性能退化分析。随着相位方差增大，聚焦效率单调下降；焦距偏移和焦斑尺寸平均值仍接近设计值，但波动范围有所增加，反映出器件稳定性的逐步降低。

该研究从单元结构误差出发，建立了面向整片超透镜性能预测的统计分析方法，揭示了不同制造误差对器件性能退化的相对贡献。该框架可用于指导超透镜设计中的工艺容差设定、关键误差识别和结构优化，也为超表面器件面向实际加工和系统应用提供了参考。