這個(gè)團(tuán)隊(duì)，突破理論極限，為超透鏡實(shí)用化開辟新途徑！

想象一下，沉甸甸的單反相機(jī)能夠輕如羽毛，薄得就像一張紙。你會(huì)懷疑，這是怎么做到的？答案就是：超透鏡（MetaLens）。

如今，科學(xué)家可以利用超構(gòu)單元（meta-atoms）組成的超透鏡對光進(jìn)行控制，其微米級的厚度極大地減小了光學(xué)系統(tǒng)的體積和重量，而這項(xiàng)技術(shù)有望徹底顛覆傳統(tǒng)光學(xué)。

事實(shí)上，超透鏡的實(shí)際應(yīng)用，一直受到消色差問題的嚴(yán)重困擾：即消色差超透鏡（AML）受到帶寬、NA和口徑的耦合關(guān)系的限制，使得傳統(tǒng)的消色差方法總是受到加工能力的極大限制。

近日，浙江大學(xué)杭州國際科創(chuàng)中心（簡稱科創(chuàng)中心）極端光學(xué)技術(shù)與儀器研究院馬耀光研究員團(tuán)隊(duì)想到了一種全新的設(shè)計(jì)方法！他們提出了一種新型消色差超透鏡的理論，實(shí)現(xiàn)了對于超透鏡口徑、NA、工作波段的理論極限的突破，并有效降低了達(dá)到該極限所需要的超構(gòu)單元的高度及深寬比，為高性能消色差超透鏡的實(shí)用化提供了新的途徑。

用技術(shù)，突破理論極限

科學(xué)家們曾經(jīng)提出了一系列方法嘗試解決超透鏡實(shí)際應(yīng)用中的消色差問題，但仍然受到帶寬、NA和口徑的耦合關(guān)系的限制。其中，色散補(bǔ)償要求（Group Delay, GD 群延時(shí)）會(huì)隨著口徑和NA的變大而變大，而在傳統(tǒng)寬帶消色差超透鏡（Broadband achromatic metalens, BAML）中，大色散意味著meta-atoms的高度也會(huì)非常高。因此，大口徑大NA的寬帶超透鏡對色散補(bǔ)償?shù)囊?，使得傳統(tǒng)的消色差方法總是受到微納加工能力的極大限制。

團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出了一種突破理論極限的新型消色差設(shè)計(jì)方法，即準(zhǔn)消色差超透鏡（Quasi-achromatic metalens, QAML）并分析計(jì)算了其物理極限。同時(shí)，團(tuán)隊(duì)首次提出色散調(diào)控特征相位延時(shí)（Phase delay，PD）可以根據(jù)相位特性進(jìn)行延拓，壓縮對meta-atoms的大色散調(diào)控能力的要求。準(zhǔn)消色差超透鏡克服了有限厚度的色散能力上限，并放寬了消色差超透鏡的帶寬、口徑和NA。這種方法為超寬光譜和大孔徑消色差元件提供了理論基礎(chǔ)。

圖1. (a) 相位-頻率響應(yīng) (b) PD-頻率響應(yīng), PD延拓示意圖

圖2. QAML實(shí)利用的時(shí)間自由度設(shè)計(jì)

準(zhǔn)消色差超透鏡有效地規(guī)避了大孔徑和高NA條件下BAML無法達(dá)到的高厚度要求，就像一位悄無聲息的魔術(shù)師，用微觀的“魔法天線”重新編排了光的舞蹈，讓每一位舞者都可以在沒有天花板的地方盡情展現(xiàn)，它進(jìn)一步推動(dòng)了緊湊型消色差光學(xué)系統(tǒng)的發(fā)展。未來，光柵和光渦旋器件都可以基于這一理論進(jìn)行優(yōu)化。

圖3. QAML的成像性能 (a) 不同頻率分量下的PSF (b) 焦距-頻率分布 (c) 聚焦效率-頻率分布 (d) QAML與BAML性能對比 (e) 成像模擬

以想象，觸碰“光學(xué)之眼”

如今，超透鏡的研發(fā)難題正在被逐一攻破，這也讓我們離“輕薄、便宜、高效”的超透鏡更進(jìn)一步。

馬耀光說，目前，衍射器件的加工已經(jīng)比較成熟，并在手機(jī)鏡頭、相機(jī)鏡頭等各個(gè)領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。未來，在實(shí)現(xiàn)了高深寬比的加工技術(shù)的條件下，我們期待，團(tuán)隊(duì)研發(fā)的準(zhǔn)消色差超透鏡憑借其高性能消色差能力，將進(jìn)一步應(yīng)用到手術(shù)室、自動(dòng)駕駛汽車、甚至遠(yuǎn)征火星的探測器上，醫(yī)生可以通過更輕便的內(nèi)窺鏡進(jìn)行更精確的檢查，自動(dòng)駕駛系統(tǒng)能更準(zhǔn)確地識別前方的障礙物，火星探測器能在更輕巧的設(shè)備下獲得更清晰的星體圖像。

每一項(xiàng)新事物在從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)業(yè)化、市場化的過程中往往都會(huì)充滿困難和挑戰(zhàn)。“任何技術(shù)或者理論要想推向市場并獲得廣泛應(yīng)用，都建立在制備工藝可實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)的基礎(chǔ)上，目前我們僅實(shí)現(xiàn)了理論和技術(shù)的階段性突破，接下來還需要克服高成本、長制備周期等問題?！瘪R耀光說。

此外，任何光學(xué)材料的應(yīng)用并不是孤立的，不僅要考慮超材料本身的設(shè)計(jì)制備，還要考慮在與其他已有器件集成的過程中如何更好地結(jié)合。“因此，我們還希望做出來的準(zhǔn)消色差超透鏡具有可控性、穩(wěn)定性，真正讓超透鏡實(shí)用化，這些都是今后研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)?！瘪R耀光說。

用超透鏡代替?zhèn)鹘y(tǒng)的光學(xué)鏡頭，實(shí)現(xiàn)平面化、多模式的成像方式，在成像效果不變甚至更強(qiáng)大的前提下讓手機(jī)、相機(jī)的鏡頭變得更輕薄，提升便攜性，增強(qiáng)人們的體驗(yàn)感和佩戴舒適感，這就是團(tuán)隊(duì)用科技改變生活的初衷。

本項(xiàng)成果已在線發(fā)表在物理學(xué)頂級期刊Physical review letters上，完成單位為極端光學(xué)技術(shù)與儀器全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、科創(chuàng)中心極端光學(xué)技術(shù)與儀器研究院，該研究得到了國家自然科學(xué)基金優(yōu)青項(xiàng)目和浙江省自然科學(xué)基金杰青項(xiàng)目的資助。