南京大學Nature子刊：寬帶消色差超構透鏡在彩色成像的新突破

【引言】

人們從外界獲取的絕大部分信息是通過眼睛得到的。豐富的顏色使我們的身邊的事物可以區別，也使我們的生活多姿多彩。如何得到對著彩色的世界的最好的成像是人們一直以來的最終極的目標，這也是光學研究領域的重要課題。然而，要實現高質量的成像，對光學系統的要求很高，仍需要克服很多問題。其中，由于光學材料的色散以及不同波長光場的相位累積的不同，造成光學系統中或多或少的存在著色差。色差問題嚴重的影響著寬波段工作的光學系統的精度和效果，特別是在可見光波段的彩色成像。

圖1?近紅外非消色差超構反射聚焦鏡（單純基于幾何相位設計）與寬帶消色差反射聚焦鏡示意圖。

之前，南京大學祝世寧院士團隊與臺灣中央研究院應用科學中心蔡定平教授團隊合作的聯合團隊在寬帶消色差超構表面領域取得了引人注目的結果（Nature Communications 8, 187（2017）），如圖1所示。他們創新的將寬帶聚焦鏡的相位拆分成兩個部分，一個是與波長無關的基礎相位，另一個是與波長有關的補償相位。前者通過超構單元的轉角，在圓偏振光場照明下可以實現；后者則可以使用各種金屬微納結構組成的集成共振單元得到。使用這兩種相對獨立的相位產生機制，可以分別完成寬帶消色差超構器件所需要的相位分布中的基本功能要求（基本相位）和不同波長之間的相位差異（色差效應）這兩種相對獨立的物理機制。使用這個方案，他們成功的實現了在近紅外波段（1200nm-1650nm，帶寬為中心波長的1/3）的寬帶消色差反射型聚焦鏡和反射板。但是，使用金屬結構得到的集成共振單元的工作效率偏低，而且反射型器件的使用較透射型器件少。該聯合團隊將他們的研究推進到可見光波段、透射型、高效率的寬帶消色差超構透鏡。

【成果簡介】

近期，該團隊在可見光寬帶消色差超構透鏡的研究方向取得了重大的突破。他們首次使用寬帶消色差超構透鏡，實現了白光照明成像以及彩色圖片成像，并得到了很好的消色差的成像效果。在這個新報道的工作中，他們使用不同尺寸的介質柱結構，得到了工作效率較高，且相位曲線與頻率成正比的超構單元。還引入了不同尺寸的介質槽結構，用來得到更大的相位補償值。使用這些集成共振單元，可以組成覆蓋可見光波段（400nm-660nm，帶寬為中心波長的1/2）的寬帶消色差超構透鏡，如圖2所示。這是現在的集成光學器件和日常生活所渴望得到的，比如手機鏡頭等等。

圖2：可見光寬帶消色差超構透鏡。

a. 示意圖；b-c. 介質柱結構和介質槽結構中的高階電磁共振，相位曲線和工作效率；d. 樣品照片；e. 樣品細節的SEM照片。

他們使用制作完成的消色差超構透鏡對白光照明的美軍標1951分辨率板進行成像，可以得到很好的白光成像的效果。為了比較消色差呈現過的效果，作者也制作了單純使用幾何相位設計的非消色差超構透鏡，并對白光照明的分辨率板也進行了成像。可以看到，沒有消色差設計的超構透鏡的色差非常明顯，成像圖案中出現了各種顏色的色差效應。但是經過寬帶消色差設計的超構透鏡成像圖案始終是白色的。同時，他們也對更精細的線條進行成像，可以看清7階最精細的條紋，對應的線條寬度為2.19微米，接近這個透鏡的成像分辨率的理論極限。可見這個寬帶消色差超構透鏡具有比較好的成像效果。而且，相較于他們前面發表在Nature Communications上的工作結果，可見光消色差超構透鏡具有更高的平局工作效率，可以達到40-50%。在白光照明成像的基礎上，作者首次使用寬帶消色差超構透鏡對彩色圖片進行成像，可以得到無色差的色彩豐富的成像效果，如圖3所示。這是之前超構透鏡領域沒有實現和報道過的。這個工作已被Nature Nanotechnology接收，并于2018年1月29日刊載上線。

圖3：白光照明成像與彩色成像。

a. 使用寬帶消色差超構透鏡對分辨率板7階1-3級線條的白光照明成像；b. 使用單純幾何相位設計的超構透鏡對同一位置成像；c. 使用寬帶消色差超構透鏡對分辨率板7階4-6級線條的白光照明成像；d-f使用寬帶消色差超構透鏡彩色圖片的成像。

值得注意的是，2018年1月1日同樣在Nature Nanotechnology上刊載上線了一篇由哈佛大學Capasso教授組發表的同樣關注于可見光消色差超構透鏡的論文（https://www.nature.com/articles/s41565-017-0034-6）。他們同樣使用了作者發表在Nature Communications上論文的將聚焦相位拆分的思路：使用耦合介質柱的結構實現補償相位，使用幾何相位得到基本相位的方案，得到了從470nm-670nm的消色差效果，并實現了白光照明的分辨率板的成像。但是該小組并沒有使用它們制作的消色差超構透鏡實現彩色圖像的成像，且工作效率較前者也偏低。

圖4：哈佛大學Capasso組實現的可見光寬帶消色差超構透鏡。

a-b. 結構單元示意圖和SEM照片；c. 各種顏色的消色差聚焦和單色成像；d. 對白光照明的分辨率板的成像。

【小結】

綜上所述，可見光寬帶消色差超構透鏡已經成為研究者們廣泛關注的熱點。近期連續的在該領域的新成果報道，表明超構透鏡正在以飛快的速度實現對自身成像能力的完善和對傳統透鏡的挑戰。相信不久的將來，超構透鏡可以憑借在特定領域自身獨有的優異表現，應用于人們的生活和工作之中。

文獻鏈接：A broadband achromatic metalens in the visible（Nat. Nanotech., 2018, ?DOI:10.1038/s41565-017-0052-4）

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