1609年伽利略利用望远镜开启人类观察观测宇宙的新纪元，然而光学固有的偏折色散导致观测目标成像呈现色差彩虹效应。为消除色差效应，1729年，霍尔发明一件光学“神器”—消色差透镜，开启了消色差透镜近300年的研发历程。现代信息化技术要求发展小型化、集成化和轻薄化的新型消色平面差透镜。然而，受相位色散调控能力的限制，消色差平面透镜面临难以同时实现高数值孔径、大口径尺寸和宽带消色差的困境。
近日，中山大学物理学院、光电材料与技术国家重点实验室王雪华教授、李俊韬教授及梁浩文副教授团队提出将相位色散调控能力有限的超构原子区分复用地制备到台阶相位色散补偿层上，实现了同时具有高数值孔径、大口径尺寸和宽带消色差的“高大宽”消色差平面透镜。该方案有望成为消色差平面透镜的通用设计方法，在生物医学成像、人工智能、自动驾驶、机器视觉等新兴领域有广阔的应用前景。相关研究成果以 “High-Performance Achromatic Flat Lens by Multiplexing Meta-Atoms on a Stepwise Phase Dispersion Compensation Layer” 为题于2025年3月5日发表在国际光学顶级期刊《Light: Science & Applications》上。
中山大学王雪华教授、李俊韬教授及梁浩文副教授为论文的共同通讯作者，博士研究生林锦根和陈进北为论文共同第一作者。该工作得到了国家重点研发计划项目、国家自然科学基金项目、广东省重点领域研发计划项目等的大力支持。
本文提出了一种全新的超构原子区分复用策略：利用台阶相位色散补偿层（SPDC）将平面透镜分成传播相位阶梯变化的不同区域，从而实现相位色散调控能力有限的超构原子区分复用。原理上，这种复用可以不断重复下去，从根本上解决了消色差平面透镜固有的“高大宽”不可兼得的长期困境。
理论设计表明，选定某一超构原子库后，如果只采用超构原子设计带宽350纳米的消色差超构透镜时（图1a），仅能获得较低数值孔径（0.56）和较小半径（6.6微米）；而加入等宽度SPDC层后（图1b），具有相同消色差带宽和焦距的平面透镜（图1c）可实现较高数值孔径（0.9）和较大半径（20.1微米）。若仅用超构原子构建同样性能的消色差透镜，需要将超构原子的最大相位色散调控范围增大6倍之多，这很难实现。理论研究表明SPDC层对提升消色差平面透镜聚焦性能及其制备具有可行性。
图1. （a）仅用群延时匹配设计的消色差超构透镜相位曲线；（b）加入SPDC层的相位曲线；（c）加入SPDC层后消色差超构透镜的等效相位曲线。
为了制备出这样一种高性能消色差平面透镜，研究团队利用聚焦离子束刻蚀（FIB）、电子束曝光（EBL）及电感应等离子体刻蚀（ICP）等方法制备出SPDC层及超构原子层，从而制备出数值孔径为0.9、半径为20.1微米的消色差平面透镜（图2a）。测试结果表明，该平面透镜在650纳米至1000纳米的波长范围内具有很好的消色差聚焦性能（图2b）。他们还制备出数值孔径为0.7、半径为30.0微米的消色差平面透镜用于高分辨成像，图3展示了该透镜对USAF 1951分辨率板中第8组第6号条纹在不同波长的成像效果，获得了到目前为止分辨率最高（1.1微米）的消色差成像。
图2. （a）消色差平面透镜各层的电镜图；（b）在650纳米至1000纳米的波长范围内消色差聚焦测试效果。
图3. 消色差平面透镜对USAF 1951分辨率板中第8组第6号条纹在不同波长的成像效果。
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https://www.nature.com/articles/s41377-024-01731-8
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