南京大学Nature子刊：宽带消色差超构透镜在彩色成像的新突破

【引言】

人们从外界获取的绝大部分信息是通过眼睛得到的。丰富的颜色使我们的身边的事物可以区别，也使我们的生活多姿多彩。如何得到对着彩色的世界的最好的成像是人们一直以来的最终极的目标，这也是光学研究领域的重要课题。然而，要实现高质量的成像，对光学系统的要求很高，仍需要克服很多问题。其中，由于光学材料的色散以及不同波长光场的相位累积的不同，造成光学系统中或多或少的存在着色差。色差问题严重的影响着宽波段工作的光学系统的精度和效果，特别是在可见光波段的彩色成像。

图1 近红外非消色差超构反射聚焦镜（单纯基于几何相位设计）与宽带消色差反射聚焦镜示意图。

之前，南京大学祝世宁院士团队与台湾中央研究院应用科学中心蔡定平教授团队合作的联合团队在宽带消色差超构表面领域取得了引人注目的结果（Nature Communications 8, 187（2017）），如图1所示。他们创新的将宽带聚焦镜的相位拆分成两个部分，一个是与波长无关的基础相位，另一个是与波长有关的补偿相位。前者通过超构单元的转角，在圆偏振光场照明下可以实现；后者则可以使用各种金属微纳结构组成的集成共振单元得到。使用这两种相对独立的相位产生机制，可以分别完成宽带消色差超构器件所需要的相位分布中的基本功能要求（基本相位）和不同波长之间的相位差异（色差效应）这两种相对独立的物理机制。使用这个方案，他们成功的实现了在近红外波段（1200nm-1650nm，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。但是，使用金属结构得到的集成共振单元的工作效率偏低，而且反射型器件的使用较透射型器件少。该联合团队将他们的研究推进到可见光波段、透射型、高效率的宽带消色差超构透镜。

【成果简介】

近期，该团队在可见光宽带消色差超构透镜的研究方向取得了重大的突破。他们首次使用宽带消色差超构透镜，实现了白光照明成像以及彩色图片成像，并得到了很好的消色差的成像效果。在这个新报道的工作中，他们使用不同尺寸的介质柱结构，得到了工作效率较高，且相位曲线与频率成正比的超构单元。还引入了不同尺寸的介质槽结构，用来得到更大的相位补偿值。使用这些集成共振单元，可以组成覆盖可见光波段（400nm-660nm，带宽为中心波长的1/2）的宽带消色差超构透镜，如图2所示。这是现在的集成光学器件和日常生活所渴望得到的，比如手机镜头等等。

图2：可见光宽带消色差超构透镜。

a. 示意图；b-c. 介质柱结构和介质槽结构中的高阶电磁共振，相位曲线和工作效率；d. 样品照片；e. 样品细节的SEM照片。

他们使用制作完成的消色差超构透镜对白光照明的美军标1951分辨率板进行成像，可以得到很好的白光成像的效果。为了比较消色差呈现过的效果，作者也制作了单纯使用几何相位设计的非消色差超构透镜，并对白光照明的分辨率板也进行了成像。可以看到，没有消色差设计的超构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构透镜成像图案始终是白色的。同时，他们也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微米，接近这个透镜的成像分辨率的理论极限。可见这个宽带消色差超构透镜具有比较好的成像效果。而且，相较于他们前面发表在Nature Communications上的工作结果，可见光消色差超构透镜具有更高的平局工作效率，可以达到40-50%。在白光照明成像的基础上，作者首次使用宽带消色差超构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所示。这是之前超构透镜领域没有实现和报道过的。这个工作已被Nature Nanotechnology接收，并于2018年1月29日刊载上线。

图3：白光照明成像与彩色成像。

a. 使用宽带消色差超构透镜对分辨率板7阶1-3级线条的白光照明成像；b. 使用单纯几何相位设计的超构透镜对同一位置成像；c. 使用宽带消色差超构透镜对分辨率板7阶4-6级线条的白光照明成像；d-f使用宽带消色差超构透镜彩色图片的成像。

值得注意的是，2018年1月1日同样在Nature Nanotechnology上刊载上线了一篇由哈佛大学Capasso教授组发表的同样关注于可见光消色差超构透镜的论文（https://www.nature.com/articles/s41565-017-0034-6）。他们同样使用了作者发表在Nature Communications上论文的将聚焦相位拆分的思路：使用耦合介质柱的结构实现补偿相位，使用几何相位得到基本相位的方案，得到了从470nm-670nm的消色差效果，并实现了白光照明的分辨率板的成像。但是该小组并没有使用它们制作的消色差超构透镜实现彩色图像的成像，且工作效率较前者也偏低。

图4：哈佛大学Capasso组实现的可见光宽带消色差超构透镜。

a-b. 结构单元示意图和SEM照片；c. 各种颜色的消色差聚焦和单色成像；d. 对白光照明的分辨率板的成像。

【小结】

综上所述，可见光宽带消色差超构透镜已经成为研究者们广泛关注的热点。近期连续的在该领域的新成果报道，表明超构透镜正在以飞快的速度实现对自身成像能力的完善和对传统透镜的挑战。相信不久的将来，超构透镜可以凭借在特定领域自身独有的优异表现，应用于人们的生活和工作之中。

文献链接：A broadband achromatic metalens in the visible（Nat. Nanotech., 2018,  DOI:10.1038/s41565-017-0052-4）

材料牛网专注于跟踪材料领域科技及行业进展，如果您对于跟踪材料领域科技进展，解读高水平文章或是评述行业有兴趣，点我加入编辑部大家庭。如果你对电子材料感兴趣，愿意与电子电工领域人才交流，请加入材料人电子电工材料学习小组（QQ群：482842474）。

欢迎大家到材料人宣传科技成果并对文献进行深入解读，投稿邮箱tougao@cailiaoren.com。

材料测试，数据分析，上测试谷！