图1基于遗传算法的光学金属设计和生物成像的应用场景 。 a）优化轻金属板设计的GA循环过程 ， 包括“初始生成”、“子生成”、“变异”、“适应度函数排序”、“收敛性检查”和“重复” 。 b）生物成像实验装置：一束扩展和准直的激光束照射透镜2出射光瞳上的金属 ， 从而在水中产生4 mm长的光片模式 ， 具有显著的侧模抑制 。 然后 ， 来自成像室中水生生物受照器官的光荧光信号被过滤 ， 并通过管透镜传输到CCD摄像机进行记录 。
图2 基于高指数GaN单元电池的金属纳米制造 。 a）纳米制造流程图 。 b） GaN单元的示意图 ， 高度（H）为800 nm ， 节距周期（P）为300 nm ， 直径（2R）和c）变化 ， 其相应的半径相关相移 。 d）生成所提出的光片模式的GaN基金属的俯视图和e）侧视图 。
2.2金属制造
具有GA生成的相位分布的金属元件的制造基于由高折射率GaN纳米柱组成的偏振无关金属元件 。 金属的制造流程如图2a所示 ， 从通过金属有机化学气相沉积在双抛光蓝宝石上生长800 nm厚的未掺杂GaN层开始 。 然后沉积400nm厚的SiO2层作为用于GaN纳米结构蚀刻的硬掩模层 ， 然后旋涂用于图案化工艺的正色调电子束抗蚀剂 。 金属的布局由电子束光刻曝光和随后的显影工艺确定 。 随后 ， 沉积40nm厚的铬（Cr）层作为第二硬掩模 ， 允许在剥离工艺后通过反应离子蚀刻SiO2层将布局转移到SiO2层 。 为了制备高深宽比GaN纳米柱 ， 采用感应耦合等离子体反应离子刻蚀系统刻蚀SiO2硬掩模 。 最终 ， 通过缓冲氧化物蚀刻溶液的湿法蚀刻去除SiO2层来制造金属器件 。 图2b示意性地显示了具有相同节距周期、高度和不同半径的单元尺寸 ， 图2c显示了与半径相关的相移 。 设备的顶视图和侧视图分别如图2d、e所示 。
2.3光学特性
通过图3a所示的实验装置测量制造的金属的光学特性 。 使用超连续谱激光器结合声光可调谐滤波器来选择所需的激发波长 。 使用物镜将入射光传输到金属片上 ， 使用另一物镜收集通过传输方式从金属片创建的光学图案 。 安装在光路末端的机动平台上的CCD摄像机用于通过在y轴上扫描机动平台来获取光场数据 。 在光学表征过程中 ， CCD摄像机从金属背面至z轴20mm处拍摄了200张照片 。 GaN纳米柱的偏振不敏感性质允许该设计摆脱入射光偏振对金属传感器的限制 ， 因此 ， 与Pancharatnam Berry（PB）相金属传感器的设置相比 ， 通过将光学测量系统减少到一对物镜 ， 显着促进了未来的光学生物成像设置 。 因此 ， 由于没有光学偏振器和波片 ， 该设置还将允许更好的光学通量用于生物成像应用 ， 同时提高系统在不同光学照明下的耐受性 。
图3 光学特性的实验装置以及测量结果与计算结果的比较 。
2.4 2D光场的对比研究
为了深入了解光片的形成 ， 并展示在LSFM中提出的2D光片的独特优势 ， 本文在图4中对1D metalenses与相应的柱面透镜、平方透镜和扰动棱镜相位轮廓创建的光学图案进行了对比研究 。 2DSQUBIC超构透镜以及其他具有分析相位轮廓的金属透镜 ， 如轴棱锥、位移轴棱锥和对数非球面透镜可用于生成具有扩展自由度和弱旁瓣的3D光学聚焦 。 然而 ， 当降低到1D金属透镜时 ， 棱镜、三次方透镜、位移轴棱锥和对数非球面透镜生成的光学图案与其2D对应物具有非常明显的光学特征 ， 并受到更短的自由度或更明显的SMLR的影响 。 这一重要发现意味着 ， 当将传统轴对称透镜降低到1D结构以生成2D光学图案时 ， 应格外小心 。 在图4中 ， 所有metalense共享相同的单位单元基音周期、WD和工作波长 。 图4a、d、g、图4b、e、h和图4c、f、i分别说明了它们的相位分布、计算的光场和FWHM 。
图4 相位分布（左面板）、光学图案（中间面板）和光学图案（右面板）的半高宽的对比研究 ， 由metalenses创建 ， 具有a–c）柱面透镜相位分布、d–f）平方透镜相位分布和g–i）扰动棱镜相位分布 ， 并在（c）、（f）和（i）中插入插图 ， 显示每个图案的放大图像 。 插图中的白色虚线测量强度峰值处的强度分布 ， 结果由（c）、（f）和（i）中的黑色曲线显示 。 （f）插图中的黑色虚线测量（f）中红色虚线显示的强度谷处的强度分布 。 所有图案都设置为2D ， 并由1D Metalense生成 。
与柱面透镜聚焦的平面波不同（图4a-c） ， 本文提出的光片虽然牺牲了一些轴向分辨率 ， 但可以维持较长的无衍射传播长度 ， 在x轴上没有任何明显的旁瓣（在±150μm范围内） 。 此外 ， 通过仔细观察本文提出的光片图案的横模轮廓（图4i） ， 本文发现它在某种程度上类似于具有类似SMLR但自由度大一个数量级的柱面透镜（图4c）创建的图案（光片约4mm ， 柱面透镜为0.44mm） 。 由柱面透镜产生的光学图案的旁瓣的出现归因于使用了类似光栅的金属（具有构成本文的光片的相同单元） ， 其节距周期接近波长的一半 。 与Squabic metalens相比 ， 本文提出的光片具有类似的DOF（见图4e、h和图4f、i中的插图） ， 均匀性更好 ， SMLR更低 ， 如图4f ， i所示 。 所有上述观察结果导致本文的主要结论 ， 即本文提出的光片具有与柱面透镜复杂关系的强度分布 。 然而 ， 其具有高度均匀性和旁瓣抑制的大自由度无法通过具有解析解的透镜实现 ， 至少到目前为止是如此 。
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