### 低对比度介电元表面光学：迷你化与高效能
#### 摘要与研究背景
在当前图像传感器的微型化过程中，光学元件的体积成为主要限制因素之一。元表面（Metasurface），即一种亚波长尺度的准周期结构，能够基于衍射原理构建平面光学元件。近期展示的高质量元表面光学元件多采用高折射率材料。本研究提出了一种基于低对比度材料的元表面光学元件设计方法，并对其进行了实验验证。
#### 元表面光学基础
元表面是一种二维准周期性的亚波长结构阵列，它能够通过改变每个亚波长单元对光的相位调制来控制光线传播，而非依赖于传统透镜中的折射作用。这种技术为实现光学元件的小型化提供了新途径，对于物联网、生物光子学以及双光子吸收显微成像等领域的应用具有重要意义。
#### 设计与实现
**材料选择**：研究团队选用了氮化硅作为低对比度材料的基础，该材料在可见光区域表现出良好的透射性能。
**实验验证**：
- **透镜**：实验制备了多个氮化硅基透镜，并测试其聚焦性能。结果显示，这些透镜能够实现小于1微米的光束聚焦点，数值孔径高达约0.75。
- **涡旋光束发生器**：此外，还成功制造了涡旋光束发生器，用于产生携带轨道角动量的光束。
#### 性能评估
- **透射效率**：在可见光范围内，实验测得的透射效率高达90%。
- **聚焦效率**：聚焦效率达到了40%，表明元表面光学元件在保持高效的同时，也实现了良好的聚焦效果。
#### 关键技术点
- **衍射光学**：利用衍射原理控制光线传播，这是元表面光学的核心技术之一。
- **介电元表面**：采用介电材料制作的元表面，具有较低的损耗和较高的稳定性。
- **氮化硅光子学**：氮化硅作为一种优良的低对比度材料，在光子学领域展现出巨大潜力。
- **透镜与涡旋光束发生器**：这两种光学元件是元表面技术的重要应用案例，展示了其在实际场景中的可行性和优势。
#### 结论与展望
本研究成功展示了使用低对比度材料设计和制造高性能元表面光学元件的可能性，为开发低损耗、小型化的光学元件开辟了新的道路。这些成果不仅有助于推动光学技术的进步，而且有望促进更多创新应用的发展，尤其是在物联网、生物医疗以及高精度成像等领域。未来的研究将进一步探索不同材料体系的应用可能性，以及如何进一步提高光学元件的性能指标，为实现更广泛的技术突破奠定坚实的基础。
