利用宽带消色差与偏振不敏感超构透镜提升图像质量

基于新颖的差异化设计原理，研究人员开辟了一条消除超表面色差的途径。精确操控光，是光学成像、传感与通信中的关键需求。传统透镜在这方面存在局限，需要更精密、更紧凑的解决方案。为满足这一需求，研究人员开发了超构透镜——由纳米材料制成的超薄透镜，其结构尺寸甚至小于光的波长。这些亚波长元件能以极高精度操控光波，从而实现对光波的振幅、相位、偏振态和传播方向的高度精确调控。

此外，与笨重的传统透镜相比，超构透镜更易于制造，是实现微型化、高集成度光学器件的理想选择。然而，亚波长元件也使其容易受到色差的影响。当光穿过超构透镜时，不同波长在与亚波长结构相互作用时会产生不同的相移，导致各种颜色或波长的光不再汇聚于同一点，进而造成聚焦不准、图像质量下降。

将瑞利判据应用于超构透镜

近日，一项发表在Advanced Photonics Nexus上的新研究中，科研人员提出了一种构建宽带消色差且偏振不敏感超构透镜的创新方法。他们的方法借鉴了光斑分辨率的瑞利判据——一条在光学中用于界定成像系统最小可分辨细节的基本原理。该期刊编辑、佛罗里达国际大学的Alex Krasnok教授指出：“所报道的科学与技术进展值得关注，因为它们提供了一条解决超表面色差问题的途径，而这一问题一直是阻碍该领域进步的挑战。”

根据光斑分辨率的瑞利判据，当一个点源衍射图样的中心恰好落在另一个点源衍射图样的第一极小上时，这两个相距很近的点源便能够被分辨。当衍射图样接近这一极限时，两个点就无法被区分开来。这一原理在望远镜和显微镜的设计中至关重要，分别使人们能分辨天体，以及捕捉微小标本中最细微的结构。在这项研究中，研究人员巧妙运用这一概念，反其道而行之，设计了两个互补的超构透镜，将两个亮斑融合成一个聚焦光斑。

他们利用相变材料Ge₂Sb₂Se₄Te₁制成的纳米鳍结构，制造了这两个超构透镜。这些纳米鳍彼此正交或平行排列，并被设计成能对通过的光引入相移。其中一个纳米鳍对4微米波长的光起半波片作用，另一个则对5微米波长的光起半波片作用。

汇聚亮斑以改善光学聚焦

当光照射时，这两个超构透镜会产生两个聚焦在不同位置的明锐亮斑。然而，通过仔细调节超构透镜的半径和焦距等参数，研究者成功将两个亮斑合并为一个聚焦光斑，效率高达43%。简单来说，这些透镜将不同波长的光聚焦在同一点，从而抵消了色差。

最后，研究者通过生成宽带消色差且偏振不敏感的光学涡旋聚焦，展示了该方法的普适性。Krasnok教授表示：“简而言之，这项工作表明，我们正走在制造能更好地处理光而避免失真的透镜的道路上，并有望改进多种光学应用。”

这项开发宽带消色差偏振不敏感超构透镜的新方法，为分子传感、生物成像、探测器以及全息显示等一系列改进的成像与光学应用打开了大门。

审核编辑 黄宇