离轴干涉系统 | 赋能超表面性能精准检测

原文信息

原文标题：“Phase characterisation of metalenses” 

第一作者：Maoxiong Zhao,Mu Ku Chen,ZePeng Zhuang

通讯作者：Lei Shi,Jian-Wen Dong, Jian Zi & Din Ping Tsai 

超表面因强大的光学调控性能与微型化优势，在光学领域极具应用价值，但加工误差带来的相位分布偏离问题，严重制约其性能表现。精准测量相位分布作为突破这一困境的关键，促使科研人员在众多测量技术中深入探索，而干涉测量法凭借独特优势脱颖而出。

超透镜相位偏差示意图，理想和实际的对比(来自原文)

干涉测量的核心原理基于光波叠加产生的干涉现象。两束光相遇叠加时，振动的加强与减弱形成明暗相间的条纹，其分布规律与光束相位紧密相连。通过构建特定数学模型，采集并分析干涉数据，就能精准获取待测参数。在超表面相位测量场景中，干涉测量的重要性不言而喻。

目前主流的干涉测量模式包括同轴干涉与离轴干涉，二者各有特点。同轴干涉中，平行的参考光束与物光束提供恒定相位基准，需同时采集多光束强度并进行相移操作来计算超表面相位；离轴干涉模式下，物光与参考光呈特定夹角，参考光提供梯度相位分布，借助傅里叶变换和滤波处理，单次测量即可提取相位信息。这种单次测量的便利性，使离轴干涉在超表面相位测量中更具优势。

超表面干涉相位测量光路图（来自原文）

基于离轴干涉原理，科研团队设计搭建了专用测量装置。激光束经扩束形成平面波前，经分束器（BS1）分为物光与参考光。物光路径利用物镜和消色差双合透镜（L1）对超透镜成像，参考光则通过调节透镜 L2 在 x 方向的位置，以特定角度入射至 CCD，实现离轴干涉。为优化干涉图案重叠效果，还利用透镜 L2 和 L3 对参考光束进行扩展。针对不同偏振态入射光响应的测量需求，光路中加入半波片、圆偏振片和检偏器。该装置相位测量精度达 0.05rad（<3°），展现出良好的性能。

几何相位与传输相位的超透镜（来自原文）

利用该装置，研究团队对几何相位超表面和传输相位超表面开展测试。结果显示，超表面整体性能与理论设计相符，但边缘因相位梯度大存在明显偏差。此外，通过离焦像差最小化方法可测定超透镜焦距，所得相位分布数据还可用于计算 PSF、OTF、MTF 等重要光学参数，为超表面的性能评估与优化提供了全面的数据支持。

相位与波像差测量结果（来自原文）

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