当前的信息技术给人类生活带来了日新月异的变化。光/光子是信息采集、传输和表达的重要载体,光学技术是人与信息交互中最广泛也最为重要的手段。然而,受光学衍射极限、成像条件、材料光学参数等限制,传统的光学元件通常具有宏观尺度,对空间需求大,对环境稳定性要求高。比如常见的由透镜、分光镜、反射镜等构建的光学系统,因受光学材料色散、傍轴条件的限制,人们需要精心地设计组合透镜元件,对色差、像差进行矫正才能获得良好的光学成像性能。这很难满足人们对器件的便携性、小型化、稳定度等要求。

超构表面(Metasurface)是通过一薄层亚波长结构单元去局域地控制空间光场的相位、偏振、及强度等分布的光学设计。它可以有效地调控光的传播性质,实现如聚焦、负折射、隐身地毯等功能,同时避免了在体块超构材料(Metamaterial)内部传播的巨大损耗,因而具有重要的应用前景。而且,超构表面的厚度仅在波长量级甚至更薄,具有优异的微纳光学集成功能。其特有的平面结构,为研制平板透镜等光学器件提供了全新的设计原理。


图1 传统色差的超构透镜和消色差超构透镜的结构和聚焦示意图

目前,人们已经展示了利用超构表面研制的平板超构透镜(百纳米量级厚度)可以媲美传统光学显微镜镜头的成像效果。不过,此类新原理设计真正走向应用还面临几项重要挑战,材料色散及衍射效应导致的色差就是其中之一。如何实现器件的宽带消色差是该领域大家公认的目标。围绕这个目标,国际上正在开展激烈的研究竞赛。前人已报道的工作大多是通过参数优化方法实现几个孤立波长的消色差。对于连续波段的消色差,目前报道最好结果仅是60 nm(可见光波段 )和140 nm(近红外波段)的带宽。其带宽难以拓展的原因是传统超构表面的结构单元所提供的参数空间很难同时满足消色差透镜所需的空域相位分布和频域相位补偿。因此,人们亟待发展出新的设计原理和方法来突破超构表面器件消色差带宽的瓶颈。

近期,南京大学现代工程与应用科学学院李涛教授、祝世宁院士研究组与台湾“中央”研究院蔡定平教授研究组合作,在解决超构表面器件在连续宽频段上消色差的方面取得了重大进展。他们首先将透镜聚焦所需要的相位分解成两部分,即:与频率无关的基础相位和与频率相关的补偿相位(与频率成正比)。然后巧妙结合超构表面结构设计的两种方案(共振性和几何相位性),通过几何相位设计聚焦透镜需要的基础相位分布,再通过共振设计补偿不同频率带来的相位色散。需要特别强调的是,通常的共振带来相位变化都是突变的,不满足与频率成正比的线性相位补偿。本工作中,他们提出了新颖的“集成共振”(integrated resonance)方案,通过特殊排列的金属棒的多个共振之间的线性相位区域,成功设计出满足聚焦透镜要求的一系列不同斜率的线性相位补偿的结构单元(见图2a)。图2b显示了利用纳米加工制备的反射性超构透镜样品照片,整个镜片的直径约55 μm。右侧电子显微镜照片反映出了该超构透镜的结构单元具有几何相位的旋转排布,以及不同纳米棒形状及数目的集成共振性质。


图2 (a)特殊排列的金属纳米棒结构与金属反射镜结合产生所需要的不同斜率线性相位补偿;(b)根据设计实验加工出的样品光学显微照片(左)和局部放大电子显微镜照片(右)


图3 (a)实验测量与(d)理论模拟获得消色差聚焦效果图

光学测试获得的消色差效果与理论计算的结果符合得非常好。如图3所示,在1200 nm到1650 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。值得一提的是,这个消色差聚焦镜的带宽达到了480 nm,已经接近中心波长的1/3,这是现有报道中最大的消色差带宽,远远超出前人的结果。而且,这个方案不仅可以设计连续带宽的超构表面聚焦镜,还可以设计连续带宽的超构表面反射板。在同样的工作频段,所有频率的入射光束都可以以同一角度反射,见图4。


图4 (a)连续宽带消色差超构表面反射板示意图;(b)不同频率相位差示意图;(c)理论计算各种频率下消色差样品的反射角度;(d)实验制备消色差反射板的SEM图;(e)实验测试得到的反射效果

该工作近日发表在NATURE COMMUNICATIONS [8, 187 (2017)]上。南京大学现代工程与应用科学学院研究员王漱明博士是论文的第一作者,台湾“中央”研究院的吴品颉博士和台湾大学的苏文生博士为并列第一作者,并列通讯作者是南京大学的李涛教授、王漱明研究员、祝世宁院士以及台湾“中央”研究院的蔡定平教授。


图5 南京大学王漱明研究员(左)与台湾“中央”研究院蔡定平教授(右)合影

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-017-00166-7