如何用宽带消色差和偏振不敏感的超透镜提高图像质量？

光的精确控制是光学成像、传感和通信的关键要求。用于此目的的传统镜头有局限性，需要更精确和紧凑的解决方案。为了满足这一需求，研究人员开发了超透镜，这是一种由纳米材料制成的超薄透镜，其尺寸比光的波长还小。这些亚波长元件提供了以极高的精度操纵光波的手段，有助于精确控制光波的振幅、相位、偏振和方向。

此外，与体积庞大的透镜相比，超透镜更容易生产，是小型化和高度集成的光学器件的理想选择。然而，亚波长元件也使它们容易受到色差的影响。这是一种情况，当光通过超透镜时，每个波长在与亚波长结构相互作用时经历不同的相移。因此，各种颜色或波长的光不会在同一点汇聚，从而导致焦点丢失和图像质量降低。

通过由相变材料组成的纳米鳍NF1和NF2的正交或平行排列，将不同波长的光聚焦在同一点上来减少色差的超镜头。

现在，在一项发表在《Advanced Photonics Nexus》上的新研究中，研究人员提出了一种新的方法来制造宽带消色差和偏振不敏感的超透镜(BAPIML)。他们的方法利用了光斑分辨率的瑞利准则，这是光学中用于定义成像系统中最小可分辨细节的基本原理。

佛罗里达国际大学的期刊编辑Alex Krasnok教授指出：“报道的科学和技术进步是值得注意的，因为它们提供了解决超表面色差的途径，这是一个阻碍该领域进展的挑战。” 根据瑞利光斑分辨准则，当一个点源产生的衍射图样的中心落在另一个点源的衍射图样的第一个极小值上时，可以分辨出距离很近的点源。当衍射图样接近这个极限时，这两点就变得难以区分了。这一原理在望远镜和显微镜的设计中发挥了重要作用，它们分别用于分辨天体和捕捉微小标本的微小细节。在这项研究中，研究人员巧妙地应用了这一概念，开发了两个互补的超透镜，将亮点合并为一个聚焦的点。

他们使用由相变材料Ge2Sb2Se4Te1制成的纳米片制造了这两种超透镜。这些纳米片以相互正交或平行的方向排列，并设计成在通过它们的光中引入相移。其中一个纳米鳍作为波长为4μm的半波片，而另一个作为波长为5μm的半波片。

当光照射超透镜时，会在不同位置产生两个明显的亮点。然而，通过仔细调整参数，如超透镜的半径和焦距，研究人员设法将亮点合并为一个聚焦点，效率高达43%。简单地说，透镜通过在同一点聚焦不同波长的光来抵消色差。 最后，研究人员通过产生宽带消色差和偏振不敏感聚焦光学涡旋来证明他们方法的多功能性。

Krasnok教授说：“简而言之，这项工作意味着我们正在创造能够更好地处理光线而不失真的镜头，并有可能改善各种光学应用。” 这种开发BAPIML的新方法为广泛的改进成像和光学应用打开了大门，包括分子传感、生物成像、探测器和全息显示。

审核编辑：刘清