文章来源：中国光学
本文由论文作者团队投稿
导 读
超构表面是纳米光子学领域扩展最快速的前沿分支之一，它有望取代诸多大规模应用的折射光学元件，并创造全新的功能，从而彻底改变光学领域的面貌。由介质纳米结构组成的超构表面为实现光学波段色散调控元件开辟了新的范式，但是利用单层超构表面实现可自由定制的色散调控仍面临巨大挑战，而且带宽严重受限。
近日，湖南大学段辉高教授、胡跃强副教授团队与新加坡国立大学仇成伟教授团队合作提出并实现了在超宽带（从可见光到近红外）任意色散调控的超构表面。所提出的渐近式色散调控原理以及高深宽比结构制备方案将加速超构表面元件在成像透镜、光谱成像和近眼显示等关键元器件中的应用。
相关研究成果以“Asymptotic Dispersion Engineering for Ultra-Broadband Meta-Optics”为题，于2023年10月20日在线发表在Nature Communications。湖南大学机械与运载工程学院胡跃强副教授为论文的第一作者，湖南大学机械与运载工程学院段辉高教授和新加坡国立大学仇成伟教授为共同通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、湖南省自然科学基金项目的支持。
图1：棱镜分光与折射透镜的色散
图2：利用色散和消除色散的应用场景
相对于传统的分立的折射光学元件，超构表面是一种轻薄、易集成并且能实现多参量调控的由亚波长结构组合而成的多功能平面光学元件。目前，国内外学者针对超构表面的色散调控已经做了一系列探索。首先，通过空间复用方案（区域复用、交错单元或叠层）可实现若干离散波长的色散调控。同时，利用不同亚波长单元的结构色散设计自由度，通过相位补偿甚至可以实现单层超构透镜的宽带色差消除。但是，目前常用的线性相位补偿方案难以适应在大带宽下结构色散的非线性特性，因此增加消色差带宽面临极大挑战。另外，针对任意定制色散调控的需求，线性相位补偿方案自由度低，又无法充分利用结构的非线性色散特性。
图3：超构表面色散调控的发展历程
更契合于结构本身色散特性的调控方法
与之前研究人员采用的线性相位补偿方式不同，本研究首次提出了一种渐近式色散补偿的方案。该方法允许在不同波长下通过平移任意定制设计的波阵面，实现与结构单元非线性相位色散的渐近匹配的同时不改变设计功能。因此可以在超宽带下实现任意色散调控，如图4所示。为了验证该方法，研究团队首先根据等效介质模型，通过数值仿真求解不同形状和参数的纳米结构本征波导模式，探究了二氧化钛纳米结构单元形状、参数与结构色散的关系，揭示了纳米结构单元本身的非线性结构色散特性。同时，构建了6种具有不同结构色散特性的偏振不敏感结构数据库。
图4：超宽带任意色散调控超构透镜示意图
更宽带的设计、更高深宽比结构的制备
接着，研究团队采用渐近式色散补偿的方案，完成了一款NA为0.164的从可见光到近红外波段（400 nm~1000 nm）消除色差的超构透镜的设计和制备。与采用线性色散补偿方法设计的消色差超构透镜对比，该工作可实现超宽带下接近衍射极限的消色差聚焦效果，证明了该方法的可行性，如图5所示。因更大的结构深宽比可以实现更多的相位补偿，研究团队也对共形填充工艺进行了优化，实现了深宽比大于20的高保形结构的制备。随后，为探究单层消色差超构表面的极限，研究团队综合超构透镜的幅面（R）、数值孔径（NA）、带宽（Δλ）以及数据库可提供的相位补偿（Δφ）这些参数，提出了一个更全面的评价因子χ，并证明该工作设计的超构透镜是较前期所有工作更接近设计极限。进一步的，与成熟的CMOS图像传感器结合，研究团队构建一个24h的成像场景，从而使消色差成像能够在白天和黑夜环境中使用相同的微型光学系统。
图5：超宽带消色差超构透镜的设计过程及实验结果
更全面的调控能力
这种方案为超构透镜的色散调控设计提供了更高的自由度，使其拥有了更加丰富的色散调控能力，可实现各种类型色散的调制。研究团队展示了轴上任意色散（正色散、负色散、任意色散）以及离轴色散（波长路由）的超构透镜的设计，结果如图7所示。
总结与展望
该研究提出了一种更通用的渐近相位补偿方案，该方案能更好地匹配纳米结构的本征相位色散特性，以解决线性相位补偿方案在任意色散调控设计中存在较大误差的障碍，尤其适用于超宽带设计中。利用该方案，研究团队展示了高深宽比纳米结构组成的超宽带消色差电介质超构透镜，其波段从400纳米到1000纳米，横跨可见光到近红外波段。此外，该方案还提供了极大的自由度，可实现各种类型的定制色散定制。所提出的方法完善了单层色散控制超构透镜设计的理论框架，不仅可以实现无带宽限制的任意色散操纵，还为打破最大相位色散限制提供了潜在的解决方案，有望在超宽带成像和光谱检测等领域得到重要应用。
论文信息
Hu, Y., Jiang, Y., Zhang, Y. et al. Asymptotic dispersion engineering for ultra-broadband meta-optics. Nat Commun 14, 6649 (2023).
