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台湾“中研院”蔡定平教授联合团队:可见光宽带连续消色差超透镜成像重大突破

2018-12-30

台湾“中央研究院”应用科学中心蔡定平教授课题组与南京大学祝世宁院士课题组的联合研究团队,在可见光连续宽带消色差超透镜成像的研究中取得了重大的突破。他们首次使用连续宽带消色差超透镜,实现了白光照明成像以及彩色图片成像。通过引入不同长宽尺寸的介质柱和槽结构,得到所需的相位补偿值,组成覆盖可见光波段(400 ~660 nm,带宽为中心波长的1/2)的连续宽带消色差超透镜,实现很好的消色差成像效果。

传统的光学元件多依赖于沿光路逐渐累积的相位变化实现对光波前的调制,其体积较大,对环境稳定性要求高。超表面(Metasurface)是通过设计一亚波长薄层结构单元局域地调控空间光场的相位、偏振、及强度等光学特性,具有优异的微纳光学集成功能,是解决传统光学系统结构厚重、设计复杂等问题的一种非常有效的方案,具有重要的应用前景。使用超透镜可以实现与传统光学显微镜镜头相比拟的成像效果。但由于任何光学材料都或多或少存在色散,使得光学元器件存在色差现象,严重影响宽波段工作的光学系统的精度和效果。针对色差问题,传统光学设计将多片不同曲面形状、不同色散性质的透镜贴合在一起,针对几个分立波长消色差,得到在比较宽带的近似消色差效果。但真正实现宽带连续消色差始终是困扰人们的一大难题。近期,该联合团队在连续宽带消色差超透镜的设计方案上取得了重大的原理突破(Nature Communications 8, 187 (2017))。他们创新性地将透镜聚焦的相位分成两部分,一部分是与频率无关的基础相位,对应聚焦效应,可以通过几何相位实现;另一部分是与频率相关的补偿相位,对应色差效应,可以使用集成共振单元的共振相位得到。两种方案巧妙结合,已成功实现了在近红外波段(1200 ~1650 nm,带宽为中心波长的1/3)的宽带消色差反射型聚焦镜和反射板。

考虑到金属结构做集成共振单元的工作效率偏低,而且反射型器件不如透射型器件应用广泛。该联合团队创新推进,设计出可见光波段、透射型、高效率的宽带消色差超透镜,如图1(a)所示。用于该研究的超表面材料为可见光频段透明的氮化镓材料,设计不同长宽尺寸的介质柱结构,引入不同长宽尺寸的介质槽结构,得到工作效率较高,相位补偿值大且相位曲线与频率成正比的超构单元,如图1(b)所示。不同于传统超表面设计中采用的几何相位调节的方式,该研究采用集成共振单元可实现在宽波段范围内连续消色差,为精确构建彩色光场成像提供了方便有效的途径。


图1 (a) 可见光宽带消色差超透镜示意图;(b)介质柱结构和介质槽结构的相位曲线和工作效率

光学测试获得的消色差效果与理论计算的结果符合地非常好。如图2所示,在400 nm到660 nm的波段中,得到了很好的消色差聚焦效果,焦距与理论设计基本一致,而且带宽已经接近中心波长的1/2。


图2 (a) 可见光宽带消色差超透镜的样品照片;(b)、(c) 样品细节的SEM图;(d) 使用连续宽带消色差超透镜,实现宽带消色差聚焦

为了验证此新型超透镜设计方案的成像效果,研究者们将制作完成的消色差超透镜对白光照明的美军标1951分辨率板进行成像并与单纯使用几何相位设计的非消色差超透镜对比,可以看到,没有消色差设计的超透镜的色差非常明显,成像图案中出现了各种颜色的色差效应。但是经过宽带消色差设计的超透镜成像图案始终是白色的。他们对更精细的线条进行成像,可以看清7阶最精细的条纹,对应的线条宽度为2.19 μm,接近这个透镜的成像分辨率的理论极限,如图3(a)~(c)所示。此实验结果充分证明了这个宽带消色差超透镜具有比较好的成像效果。在白光照明成像的基础上,他们首次展示了彩色成像的效果,使用宽带消色差超透镜对彩色图片进行成像,可以得到无色差的色彩丰富的成像效果如图3(d)~(i)所示。


图3 (a)宽带消色差超透镜对分辨率板7阶1-3级线条的白光照明成像;(b)单纯几何相位设计的超透镜对同一位置的成像;(c)宽带消色差超透镜对分辨率板7阶4-6级线条的白光照明成像;(d)- (f)宽带消色差超透镜对彩色图片的成像;(g)- (i)对彩色成像图片的颜色矫正结果

相关研究成果以A broadband achromatic metalens in the visible为题发表在Nature Nanotechnology [18(13), 227–232, 2018]上。南京大学王漱明副教授、台湾中央研究院吴品颉博士和台湾大学苏文生博士为本工作的并列第一作者,台湾中央研究院蔡定平教授是本工作的通讯作者。

文章链接:https://doi.org/10.1038/s41565-017-0052-4