撰稿|由课题组供稿
超构表面是由分布在二维平面上的亚波长大小的散射体组成的平面光学元件，通过调整散射体的形状、大小、位置和方向，几乎可以任意控制光的相位、振幅、偏振和频率。由于变焦成像、新型显示和激光雷达系统对集成和微型光学元件的强烈需求，主动可调谐超构表面引起了广泛的关注和研究。其中液晶由于其独特的双折射特性和成熟的调控机制，被广泛应用于可调谐超构表面的实现。
变焦超透镜是可调谐超构表面的重要应用之一，有望取代体积庞大的折射光学系统。然而，现有的大多数可调谐超构透镜研究都是单波长工作，色散引起的色差限制了它们在宽带成像和彩色显示等领域的实际应用。超构表面单元具有高度的结构色散设计自由度，这提供了使用单层超构表面控制色散的可能性。到目前为止，通过使用多层超构表面、交错结构和相位补偿，已经提出了许多用于多波长或宽带超构表面的策略。其中，相位补偿方法可以利用非交错元单元实现宽带消色差性能，但很少结合其他光学参数自由度（如偏振）来实现多通道色散操纵。此外，将色散调控与现有的可调谐超构表面机制相结合的方法仍有待探索。
在本研究中，研究团队通过将偏振复用消色差超构透镜和扭曲向列相液晶（TNLC）垂直堆叠，利用TNLC的宽带线性偏振转换能力，通过施加不同的电压实现了变焦消色差超构透镜的可调谐性，该方案具有更简单的器件制备过程和调控机制，如图1所示。与之前的研究不同，本研究通过粒子群优化算法定制两个正交偏振通道下不同设计波长的相位分布，并与单一非交错矩形复合结构超构单元数据库匹配，以实现偏振复用消色差性能，使相位补偿中的匹配误差最小化，这使得用更少的结构数据获得更好的匹配结果成为可能，大大节省了计算能力，如图2所示。
图1 电控可调谐偏振复用消色差超构透镜示意图
图2偏振复用消色差超构透镜设计原理
基于上述原理，研究团队实验上演示了由高度为1000nm的二氧化钛纳米柱组成的变焦消色差超构透镜。Y偏振入射时，消色差超构透镜在0V电压下焦距为50 μm, 5V电压下焦距为100 μm，对应的NA分别为0.371和0.196，如图3所示。进一步地，研究团队还展示了电控可调谐的变焦定制色散调控超构透镜和电控可切换的彩色超构表面全息（图4），以进一步证明该工作的设计策略在光谱成像和彩色显示方面的广泛应用前景。
图3 电控可调谐偏振复用消色差超构透镜变焦实验演示
图4 定制色散调控超构透镜和彩色超构表面全息实验演示
本工作提出了一种可调谐消色差超构透镜的设计策略，为可调谐宽带超表面的实现提供了新的思路。增加设计离散波长的数量可以获得更好的消色差结果，但这将增加优化设计的复杂性。将超构透镜和纳米结构的相位折叠到0-2π的方法将最大相位色散限制到2π范围内，通过构造适当的非线性相位色散并找到能在每个波长处满足相位要求的结构，还可以实现大面积设计。所提出的方案为实现各种类型的自定义色散调控和可调谐超构表面设计提供了很大的自由度，也适用于AR/VR显示和光谱成像等应用。
湖南大学机械与运载工程学院博士研究生欧香念为论文的第一作者，湖南大学机械与运载工程学院胡跃强副教授为通讯作者，湖南大学物理与微电子科学学院樊帆副教授团队为该工作提供了支持和帮助。该工作得到了国家自然科学基金、国家重点研究与发展计划、湖南省自然科学基金、深圳市科技计划和清华大学摩擦学国家重点实验室摩擦学科学基金的支持。
论文链接：
https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.2c03798
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