光学超构表面（Metasurface，MS）作为一类新型平面光学元件，凭借其紧凑性、多功能性和器件集成性等优势，正在深刻变革光学设计领域。得益于与半导体行业高度兼容的平面纳米制造工艺，超构表面可立即受益于具有成本效益、潜在的大规模制造技术。然而，要在代工厂中制造出高复杂度的超构表面并将其组装集成，仍需要建立与标准化测量方法相配套的全面光学计量解决方案，以验证其在系统集成过程中及集成后的功能性。
据麦姆斯咨询报道，近日，法国蔚蓝海岸大学（Université Côte d’Azur）、Phasics公司和意法半导体（STMicroelectronics）等机构的研究人员组成的团队在npj Nanophotonics期刊上发表了题为“Metrology of metasurfaces: optical properties”的综述论文，回顾了现有用于超构表面检测的光学计量技术，包括光强度测量、偏振测量、定量相位测量以及叠层成像（ptychographic）技术。本文也探讨了超构表面设计的新视角与发展趋势，并试图揭示其在赋能下一代计量系统方面可能发挥的颠覆性作用——即通过性能提升与测量功能增强实现技术革新。
超构表面振幅特性表征
研究人员详细讨论了超构表面振幅特性的表征技术，并阐述了相关可测量物理量。内容分为两个主要部分：通用振幅测量方法和特定应用振幅测量方法。前者聚焦于适用于所有超构表面（无论其预期应用如何）的通用物理量测量方法，包括透射/反射效率、转换效率等参数测量。后者讨论特定应用的振幅测量，强调与超构表面工作功能相关的参数，包括聚焦、偏转等。研究人员通过选择超构透镜（Metalens）和超构表面偏转器（Metadeflector）两个典型应用举例说明特定应用振幅测量方法。选择这两种器件是因为它们在多种光学系统中得到广泛应用，尤其是在集成光源和探测器的系统中具有重要意义。
图1 超构表面的振幅特性表征
超构表面相位特性表征
超构表面的一个核心应用是通过其构建单元引入突变相位来调控光的波前。因此，准确地表征制造后的有效相位变化至关重要。
由于光电探测器通常只能提供光的强度信息，因此直接测量空间相位分布并不可行。然而，存在多种方法可以从光的强度测量中提取相位信息。这些方法可以分为两类：（i）干涉方法，通过多个光束的干涉图推断相位分布，例如参考光束干涉法和剪切干涉法；（ii）相位恢复方法，通过光束传播和衍射过程中空间光强度分布的演变重建相位分布，例如光的强度传输方程（TIE）和叠层成像。
图2 超构表面的相位特性表征
超构表面偏振特性表征
通过适当设计构建单元的几何形状，超构表面已经被开发用于灵活调控光的偏振，展示了从矢量全息、偏振滤波到偏振复用功能等多种概念。偏振调控对于材料检测、生物成像和光通信等许多应用至关重要。由于超构表面具有集成化和小型化的能力，它们有望替代传统的大型和笨重光学组件。然而，为了满足工业需求，偏振工程超构表面必须与传统光学组件进行定量比较。
光的偏振态（SoP）由三个量来表征：量化偏振光量的偏振度（DoP）、椭圆度χ以及偏振角α。因此，偏振态可以表示为庞加莱（Poincaré）球面上的一个三维向量。
图3 超构表面的偏振特性表征
对于工业应用而言，建立明确的优值（FoM）至关重要，以明确超构表面的性能标准并确定其可接受的公差。例如，在光纤领域，偏振消光比是一个关键参数，它量化了所需偏振与正交（交叉）偏振的功率比。偏振相关的超构表面通常使用旋转偏振态分析仪（PSA）对输出进行定性评估。然而，预期状态和实验测量的偏振态之间的精确定量比较通常存在显著差异。迄今为止，偏振相关的超构表面主要局限于概念验证演示，特定应用的明确性能要求尚未严格确定。
用于光学计量的超构表面
随着超构表面技术的发展，若干旨在替代和改进现有组件的有趣提议已经得到了证实。研究人员讨论了超构表面技术对光学计量的影响，以及它们的集成、紧凑性、性能和新功能将如何在未来不断改进计量仪器。
在偏振测量领域，超构表面为高效紧凑的偏振计提供了新的设计和概念。这种基于超构表面的偏振计利用超构表面光学工程的特性将光分离到不同的方向，每个方向都与用户定义的偏振态相关联。因此，这种方法可以通过一次采集实现完整的偏振态测量，例如基于全斯托克斯超构表面的偏振计相机、基于波前分割设置的超构表面偏振计。
除了偏振测量外，将超构表面集成到计量仪器中，有望在高度紧凑的设备中实现最先进的精度，从而彻底革新相位表征技术。超构表面的多功能性，包括偏振和空间复用，能够生成复杂的干涉图，可用于恢复物体的二维相位分布。迄今为止，用于定量相位表征的最先进的超构表面大多属于剪切干涉范畴，但预计未来几年在其它领域也会有所创新，例如基于超构表面的定量相位梯度显微术、集成超构表面阵列的广义Hartmann–Shack光束分析仪。
图4 基于超构表面的光学计量
多波束工程和多观测区域是超构表面的独特功能，可为各种计量应用带来创新，例如半导体衬底、晶圆和电子芯片的检查和缺陷检测。在复杂成像系统中实施和集成大型超构表面有望加快和改进当前的计量设备，这可能会在未来几年彻底变革它们在半导体代工厂中的使用。
小结
综上所述，本综述探讨了用于表征光学超构表面特性（包括振幅、相位和偏振特性）的不同计量技术。随着2010年代初超构表面技术的蓬勃发展，各种超构表面概念验证已在多个应用中得到部署。如今，这项技术正开始逐渐攀爬Gartner炒作周期的启蒙斜坡，而这项技术的主流应用需要在工业层面进行超构表面制造。超构表面技术在成像、消费电子和光网络领域具有广阔的市场前景，但仍需要适用同时评估众多光学元件的专用表征方法。此外，还迫切需要实现该技术的标准化，以确保不同制造商之间的一致性和可靠性，以及与现有基础设施和技术的兼容性。除了必须为超构表面制造选择最适合的材料外，未来几年还需要努力确定标准化设计、制造方法和建立标准化测试程序。
这项技术的标准化不仅可以利用现有的计量工具和设施，还将提出具有挑战性的问题。特别是，特征尺寸的不断缩小和图案化晶圆上的有限空间对计量解决方案的创新水平造成了持续的压力，其目标是提高分辨率和对化学成分的灵敏度，同时保持合理的检测率和缺陷检测速度。由于目前的计量工具已经逐渐接近性能极限，因此亟需创新的光学计量解决方案，这将涉及并行和多功能光学测量。超构表面设计的灵活性以及在同一光学设备上大面积聚集数百个具有不同功能的微米级光学元件，都是这项技术极为重要的优势，这赋予了超构表面颠覆光学计量领域的巨大潜力。要使这一具有远见的未来成为工业现实，需要努力减少直射光并提高超构表面每个检测通道的信噪比（SNR）。此外，还需要更多的定量信息来描述超构表面缺陷的可检测性。值得注意的是，超构表面技术可以极大地改善计量学，但其自身的多样化和发展仍然依赖于实现最佳的纳米制造，而这仍需要使用当前的计量工具进行评估。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s44310-024-00051-4
延伸阅读：
《光学和射频领域的超构材料和超构表面-2024版》
《光学和射频应用的超构材料-2024版》
《超构透镜（Metalens）专利态势分析-2024版》
