研究实现“高大宽”消色差平面透镜。 导读
1609年伽利略利用望远镜开启人类观察观测宇宙的新纪元，然而光学固有的偏折色散导致观测目标成像呈现色差彩虹效应。为消除色差效应，1729年，霍尔发明一件光学神器——消色差透镜，开启了消色差透镜近300年的研发历程。现代信息化技术要求发展小型化、集成化和轻薄化的新型消色平面差透镜。然而，受相位色散调控能力的限制，消色差平面透镜面临难以同时实现高数值孔径、大口径尺寸和宽带消色差的困境。
近日，中山大学物理学院王雪华教授、李俊韬教授及梁浩文副教授团队提出将相位色散调控能力有限的超构原子区分复用地制备到台阶相位色散补偿层上，实现了同时具有高数值孔径、大口径尺寸和宽带消色差的高大宽消色差平面透镜。该方案有望成为消色差平面透镜的通用设计方法，在生物医学成像、人工智能、自动驾驶、机器视觉等新兴领域有广阔的应用前景。相关研究成果以 High-performance achromatic flat lens by multiplexing meta-atoms on a stepwise phase dispersion compensation layer 为题并被选为封面论文发表于Light: Science Applications。
亚波长尺度超构原子具有一定的相位色散调控能力，利用这种特性可以令有序排列的超构原子实现消色差聚焦和成像，从而设计出消色差平面透镜。然而，这些超构原子调控相位色散的能力有限，限制了消色差平面透镜的性能，导致消色差平面透镜无法同时实现高数值孔径、大口径尺寸及宽带消色差。为解决这一高大宽的困境，研究人员尝试了许多方法，包括提高超构原子的高度和形状复杂度以提升相位色散调控能力、采用多层结构提升消色差拟合自由度、采用混合结构或多级衍射结构提升消色差聚焦性能等。但这些方法都未能解决消色差平面透镜高大宽不可兼得的难题，亟待发展新的原理和方法解决这一长期困境。
本文提出了一种全新的超构原子区分复用策略：利用台阶相位色散补偿层（SPDC）将平面透镜分成传播相位阶梯变化的不同区域，从而实现超构原子相位色散有限调控的区分复用。原理上，这种复用可以不断重复下去，从根本上解决了消色差平面透镜固有的高大宽不可兼得的长期困境。
理论设计表明，选定某一超构原子库后，如果只采用超构原子设计带宽350 纳米的消色差超构透镜时（图1a），仅能获得较低数值孔径（0.56）和较小半径（6.6微米）；而加入等宽度SPDC层后（图1b），具有相同消色差带宽和焦距的平面透镜（图1c）可实现较高数值孔径（0.9）和较大半径（20.1微米）。若仅用超构原子构建同样性能的消色差透镜，需要将超构原子的最大相位色散调控范围增大6倍之多，这很难实现。理论研究表明了SPDC层可大幅提升消色差平面透镜聚焦性能及其制备的可行性。
图1：(a) 仅用群延时匹配设计的消色差超构透镜相位曲线；(b) 加入SPDC层的相位曲线；(c) 加入SPDC层后消色差超构透镜的等效相位曲线。
为验证这一方法的可行性，研究团队利用聚焦离子束刻蚀（FIB）、电子束曝光（EBL）及电感应等离子体刻蚀（ICP）等方法制备出SPDC层及超构原子层，从而制备出数值孔径为0.9、半径为20.1微米的消色差平面透镜（图2a）。测试结果表明，该平面透镜在650纳米至1000纳米的波长范围内具有很好的消色差聚焦性能（图2b）。
图2：(a) 消色差平面透镜各层的电镜图；(b) 在650纳米至1000纳米的波长范围内消色差聚焦测试效果
研究团队还制备出数值孔径为0.7、半径为30.0微米的消色差平面透镜来研究其消色差成像性能。图3展示了该透镜对USAF 1951分辨率板中第8组第6号条纹在不同波长的成像效果，获得了到目前为止分辨率最高（1.1微米）的消色差成像。
图3：消色差平面透镜对USAF 1951分辨率板中第8组第6号条纹在不同波长的成像效果
应用与展望
本研究提出利用SPDC层区分复用有限相位色散调控能力的超构原子，令消色差平面透镜可按需设计数值孔径、口径尺寸和消色差带宽，为打破有限相位色散对消色差平面透镜聚焦性能设计的限制提供了全新的解决方案。研究团队还进行了严格的理论分析，预测了利用该方案可任意增加复用区域，即可不降低数值孔径和消色差带宽性能的前提下按需扩展透镜口径尺寸，实现高大宽性能，为消色差平面透镜的应用化铺平道路。这一设计在生物医学成像、人工智能、自动驾驶、机器视觉等新兴领域展现广阔应用前景。（来源：中国光学微信公众号）
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-024-01731-8
作者：王雪华等 来源：《光：科学与应用》
