长三角G60激光联盟导读

超表面具有操纵光的相位、振幅、偏振或光谱的特殊能力。然而，超表面的单元或元原子通常使用规则形状设计，限制了性能的提高。提出了利用具有自由形状超原子的超表面进行芯片超光谱成像，其中自由形状图案的生成具有可控的特征尺寸和边界曲率，以实现可行的制造。这些图案拓宽了设计多样性，丰富了具有复杂布洛赫模式的超表面单位光谱响应，从而提高了光谱成像性能，提高了宽带光谱的光谱恢复精度，减小了窄带光谱的中心波长偏差。

1介绍

超表面是亚波长散射体的光学薄平面阵列，可以设计为调整光的特性，例如相位、振幅、偏振和光谱。由于其非凡的功能，超表面已被用于许多应用，包括光束控制、波片、平面透镜、全息图、成像、和光谱仪。就超表面设计而言，其单位细胞或超原子的形状和几何形状在光控制中起着重要作用。然而，传统设计主要基于参数化规则形状的元原子，其符合圆形、矩形、正方形或椭圆的形状，并受制于设计者的物理直觉和经验。这些仅涵盖了潜在设计可能性的一小部分。虽然可以组合不同类型的形状来扩展元原子库，但设计的多样性仍然有限。这种局限性也反映在基于超表面的光谱成像仪中，它们用于同时获取光谱和空间信息。

HCAs的工作原理。

超表面已被用作具有独特光谱响应特性的宽带滤波器，用于计算光谱仪，与窄带滤波器相比，它可以使用少量滤波器在宽波长范围内进行光谱重建，并受益于互补金属氧化物半导体（CMOS）兼容制造工艺，与基于量子点或纳米线的小型光谱仪相反。与基于小型色散光学或干涉仪的光谱成像方案相比，基于超表面的方法具有体积小、成本低和无需空间扫描的快照方式的优点。然而，基于具有规则形状元原子的现有超表面，很难提高光谱成像仪的光谱和空间分辨率。

在这项工作中，我们提出了一种通过随机分配网格值来生成具有自由形状元原子的元表面的方法。在此基础上，我们演示了芯片上的超光谱成像，并实现了高光谱分辨率和空间分辨率。这里，从由一定数量的自由形状超表面单元调制的检测光信号重构入射光的光谱，并形成356×436光谱像素（微光谱仪）。我们发现，由于周期性自由形状图案中各种传播布洛赫模式的复杂散射和耦合，超表面单元的光传输特性显著丰富。此外，通过仿真验证，随着最小特征尺寸从120 nm减小到80 nm，自由形状图案的设计多样性增加，25个选定透射光谱的最小相对互差增加了≈3次。基于提出的具有最小特征尺寸为90 nm的自由形状超原子的超表面，实验表明，本实验中的设备具有0.5 nm的光谱分辨率，与其他作品相比，它提供了最先进的性能。

2结果

2.1结构和原理

拟议的超声光谱成像仪的基本结构如图1a所示，由超表面层、微透镜层和图像传感器层组成。入射光由微透镜阵列集中，并在通过超表面层后由图像传感器转换为电信号。共有158400（360×440）个超表面单元，其中有400个不同的自由形状的超原子。

三种自由形状图案的扫描电子显微镜图像如图1a所示。图1b显示了20×20个不同亚表面单元的光学显微照片，这些单元具有不同的颜色。每个超表面单元的尺寸设计为17.58µm×17.58µm，覆盖3×3像素的CMOS图像传感器（CIS）（CIS像素尺寸为5.86µm），其中中心像素是有效的，因为周围像素可能由于错位而被超表面单元部分覆盖。对于光谱成像，微光谱仪N中的超表面单元数可以是不超过400的任何正值，例如5×5或7×7，分别由图1b中的红色、绿色和黄色框表示。

图1 拟议的超声波成像仪。

自由形状的元原子在增加透射光谱的相互差异方面非常有效。自由形状图案的不同光谱响应是由于亚表层中传播布洛赫模式的复杂散射和耦合造成的。图1c所示的结果表明，传播布洛赫模式的数量和色散关系随元原子形状而变化，从而产生不同的透射光谱，即光谱调制特性。

生成自由形状图案的算法如图1d所示。首先，我们生成一个二维正方形网格（i）。其次，将不同的值随机分配给服从特定分布（例如，标准正态分布）的粗网格。此外，在图案上施加了某些几何对称性，并将航向网格转换为精细网格（ii）。然后使用模糊滤波器和阈值函数来获得初始二值模式，如（iii和iv）所示。最后，在（v和vi）中执行另一个模糊和阈值处理程序，以去除小特征并平滑图案的边缘，以便进行可行的制作。

在最终的二元图案中，值为1的区域对应于电介质材料，而值为0的区域代表空气。在此过程中，将随机值直接分配给粗网格而不是细网格，这样（iv）中的模式将不会是零星的。此外，分别通过侵蚀和膨胀操作获得生成图案中电介质和空气区域的特征尺寸。所得图案的边界曲率与模糊参数有关。因此，在后选择后，通过该算法可以获得具有所需特征尺寸和边界曲率的大量图案。

多波长和色散工程超表面。

对于超表面单元的设计，首先使用上述算法生成数千种不同形状的超原子，以满足制造约束，周期从300到300不等−750 nm，步长为50 nm。特别是，考虑到我们案例中的实际制造精度，将最小特征尺寸设置为90 nm。此外，占空比从0.1到0.9不等。随后，我们使用RCWA进行了模拟，并获得了相应的透射谱。最后，通过最大化其最小相对互差（定义为tor=mini），我们获得了400种透射谱≠j1M型∑Mk=1 | Tik−Tjk |，其中Tik是M=601的第i个透射谱向量的第k个元素。此外，我们将所有周期图案限制为C4对称形式，以实现偏振无关特性。

2.2与规则形状的比较

理论上，与规则形状的图案相比，由我们的方法产生的自由形状图案的数量几乎是无限的。在实践中，最小特征大小的约束对这个数字设置了一个上限。针对不同的加工能力，我们设置了不同的最小特征尺寸值。为了进行比较，我们模拟了最小特征尺寸为80、90、100、110和120 nm的五组自由、圆形和规则形状的周期阵列的透射光谱。

在这些情况下，目标波长范围为450−750 nm，间隔0.5 nm。对于每组，通过最大化其最小相对互差值来选择25个透射谱，如图2a所示。可以看出，自由形状图案的tor明显大于圆形图案和规则形状图案，当最小特征尺寸从120 nm减小到80 nm时，tor增加≈3倍。

图2 自由形状、圆形和规则形状图案的比较。

此外，为了评估在不同最小特征尺寸下所选传输频谱的频谱重建性能，我们构建了频谱编码器-解码器网络，如图2b所示。网络架构表示为601-FC-25-FC-200-LR-FC-800-LR-FC-601，其中FC是全连接层，LR表示泄漏整流线性单元，每个数字表示相应层中的单元数。

2.3频谱重建性能

为了测量我们设备的性能，校准了所有超表面单元的透射光谱。然后，我们测量并重建两个使用彩色塑料薄膜堆栈生成的宽带信号。图3a，b表明，即使有25个亚表面单元（N=25），两个宽带光谱的保真度都在99%以上，保真度随着N的增加而增加。对这一结果的解释是，随着N的增加，获得了更多关于未知光谱的信息，并且光谱重建问题变得更少不确定，从而提高了光谱重建的精度。如图3c所示，通过调整单色光的波长，同时保持546 nm汞线的固定，证明了微型光谱仪能够分辨两个峰。为了测试窄带光谱的重建性能，我们测量了中心波长为460至740 nm的单色光源。图3d中的结果表明，重建的光谱与商业光谱仪（OceanView QE Pro）获得的测量结果非常匹配。中心波长重建误差的标准偏差仅为0.024 nm，优于参考文献中0.04 nm的结果，如图3e所示。

图3 显微光谱仪的特性。

2.4超声波成像性能

使用该设备演示了快照超声成像的性能。如图4a所示，尺寸为8 mm×6.4 mm的超表面层集成在CIS（Thorlabs，CS235MU）的顶部。在这里，我们使用具有固定焦距的50毫米透镜（Thorlabs，MVL50M23）在传感器上形成图像。以24贴片麦克白颜色检测器为目标，在普通荧光灯的光照下进行实验。RGB形式的彩色图像如图4b所示。恢复的彩色图像与参考结果非常匹配，如图4c所示。图4d显示了所有24种颜色的重建光谱（红线）和参考（蓝线），其中子图的排列顺序与图4b、c中的颜色块一致。颜色的光谱恢复平均保真度为98.78%，尽管某些颜色，如灰色，由于避免过度曝光的信噪比相当低，蓝色和紫色以相对较低的保真度恢复。通过扩大CIS的波长范围和动态范围，可以进一步提高整体性能。

图4 标准彩色图表的快照超声成像。

此外，为了显示使用我们的设备进行超声光谱成像的高空间分辨率，用一盘水果代替了彩色图表，并在与之前相同的条件下进行了光谱成像实验。如图5a所示，可以从我们的设备以快照方式捕获的12位原始图像数据中检索具有601个频带和356×436个可重构光谱像素的超光谱数据立方体。采用边缘检测技术局部调整频谱重建单元，以防止锯齿边缘。480、530、580、630和680 nm处的单波长图像示例如图5a所示。五种不同水果的恢复光谱如图5b所示。

图5 一盘水果的快照超声成像。

3结论

在本研究中，我们展示了基于由我们提出的算法生成的具有自由形状元原子的超表面的芯片上超光谱成像，具有可控的特征尺寸和边界曲率。通过模拟和后选择，我们设计了400种自由形状的图案，这些图案表现出源自传播布洛赫模式的复杂散射和耦合的各种光谱特征。此外，我们还表明，通过减少生成自由形状图案时的最小特征尺寸，相应的选定透射光谱表现出较大的互差和较小的光谱重建误差。我们的实验表明，我们的设备在光谱成像方面表现出优异的性能，最先进的光谱分辨率为0.5 nm，标准色板的平均光谱重建保真度为98.78%，高空间分辨率为356×436，这表明它可以用于各种应用，如精密农业，食品质量检验和物体检测。

来源：Ultraspectral Imaging Based on Metasurfaces with Freeform Shaped Meta-Atoms, Laser Photonics Reviews, doi.org/10.1002/lpor.202100663

长三角激光联盟陈长军原创作品！