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消除像差：超透镜的新突破将革新光学技术

2020-08-04 06:55

来源：澎湃新闻·澎湃号·湃客

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原创长光所Light中心中国光学

撰稿 | 柳维玮博士生（哈工大）

导读

色散在成像系统中会引起的色差及图像失真。采用传统透镜消除像差的方法会使得系统体积变得庞大。而采用超材料设计超透镜可以解决体积庞大的问题，但是消除像差的频带不宽、效率不高的问题再次向研究人员发起挑战。

近日，加州大学伯克利分校、加州大学圣地亚哥分校以及劳伦斯伯克利国家实验室的Boubacar Kanté等研究人员联合在国际顶尖期刊Nature子刊：Nature Communications上发表他们的最新成果：他们设计的一种渔网结构消除像差超透镜(fishnet-achromatic-metalenses, FAM），通过优化结构的几何参数，可以实现在可见光到红外的连续波段中消除像差的平均效率超过70%，这是超透镜消除像差又一新的突破。

背景介绍

在成像系统中，由于色散所引起的像差是如今急需解决的问题。材料折射率随频率的变化而产生的像差限制了宽带光学器件的性能。

超材料是具有自然材料所不具备的物理性质的人造材料，它可以实现控制光波的振幅相位以及偏振态，光隐身、光聚焦、金属水等黑科技都源自他的功劳。而利用超材料设计超透镜可以在亚波长尺度控制光波，也就是说实现不到1微米透镜来消除成像的像差。

在现有的报道中，已经有许多令人兴奋的成果，但是超透镜在实现高效率和大带宽范围消除像差仍然是一个挑战。最近的研究结果表明，在470到670纳米可见光波段消除像差的效率为20%，而在400到660纳米波段消除像差的效率为40%。这个波长范围仅是可见光范围的一部分，而且效率太低不适用于工程。而且现今设计的超透镜很多是偏振敏感的，这导致超透镜在不对称光学原件中的消除像差失效。

Boubacar Kanté等人以波导的思想设计了一种沿径向变化的渔网型消除像差超透镜(FAMs)，这种超透镜消除像差不仅与偏振无关而且可以在640nm至1200nm的光波段具有高的成像效率。这个性能满足了实际工程要求，这说明比纸还薄的消除像差透镜进入市场的一天即将到来。

创新研究

为了消除像差，即要使得不同频率的光经过透镜后能同时聚焦在一点并且没有相位差。聚焦在同一点没有色差，而相位差影响的不是不同频率光的聚焦位置而是影响光的聚焦效率。作者首先设计超透镜的结构参数让不同频率的光聚焦在同一焦点上，在此基础上再尽可能优化结构，提高聚焦效率。

作者设计的FAMs阵列单元几何结构沿着径向变化，其FAMs结构图如图1所示。通过优化几何参数，控制相位变化坡度从0变化至-0.35oTHz−1实现准确聚焦，控制相位差小于30o拥有高的效率。

图1 FAMs结构图

图片来源：Nat Commun 11, 3205 (2020).(Fig.1)

实验效果显示，在640 ~ 1200 nm的波长范围内，FAMs的焦距基本没有变化，这是至今报道的消除像差的最宽频率范围。为了更好地与之前报道的超透镜进行比较，作者测试了FAMs的聚光效率，其平均效率高达70%以上，这也是至今所报道的可见光频段内消除像差的最高效率。

最后，作者测试了不同直径的超透镜的斯特列尔比（Strehl Ratio）。目前工程上普遍认为特列尔比大于80%的成像系统可以当作无差系统使用。实验结果给出了超透镜斯特列尔比的结果均大于80%，这表明FAMs很好地消除了像差，满足工程要求。并且作者测试了X和Y偏振光，也得到了类似的结果，这证实了FAMs的偏振独立性。