宽带消色差电介质超表面透镜

透镜是光学应用的基础，广泛应用于数码相机、激光、光学仪器、安防、车载等各个领域。传统透镜对不同波长的光产生不同的折射率，无法实现光聚焦到同一点上，于是产生了色差，导致图像失真。目前，光学仪器常利用多个不同厚度、不同材质的曲面透镜来修正色差，但不可避免地增大了仪器的体积。

超表面可将(传统)光学元件设计成轻薄化、平面化且多功能的新型元件，有望大幅缩小元件尺寸、减少系统复杂性，并引入新的光学功能。平面光学元件的平面特性将使半导体制造业和透镜制造业相统一。用于制造计算机芯片的平面工艺技术将被用于制造一系列CMOS兼容的超表面光学元件。

因此，超表面透镜的出现很好地解决了这个问题。超表面透镜利用纳米结构聚光，并且具有扁平表面，能够让入射光投射到理想的地方，有望替代目前光学仪器中常用的体积庞大的曲面透镜，有望给光学领域带来技术性的革命。但是，超表面透镜的应用研究仍然局限在扩展波长范围，且仅限于反射透镜，偏振相关聚焦和/或有限的操作带宽。

研究人员设计了一种CMOS兼容的体系平台，在近红外波段实现了偏振无关的，接近衍射极限的，宽带（波长超过450nm）消色差聚焦。自由光谱C(ω)决定了每个频率的参考相位，将这一结论融入到色散超表面透镜结构中，引入了新颖的超元胞几何结构，比传统超元胞几何填充的空间更大。使用这个新平台，探索了超表面透镜中色差校正的基本极限。通过推导控制相位色散和可实现超表面透镜参数之间折衷的数学方程式阐明了消色差超表面透镜性能的基本限制，包括透镜直径，数值孔径（NA）和消色差操作的带宽。通过实验证明了几种电介质消色差超表面透镜达到了基本极限。这些超表面透镜在透射模式下工作，具有高达50％的偏振无关聚焦效率，并在λ= 1200-1650 nm范围内连续提供近似恒定的焦距。与现有技术相比，这些前所未有的特性标志着超表面的重大进步。

a 单色超表面透镜示意图，衍射色散（焦距与频率成比例）；

b 宽带消色差超表面透镜的示意图，无色散聚焦；

c 自由光谱时消色差超表面透镜的空间和光谱相位剖面；

d 自由光谱时消色差超表面透镜的空间和光谱相位剖面；

e，f 相位色散空间中超表面透镜元胞的要求。

a-c 超元胞原型示意图；

d 最低频率（或最大波长，λ=1.6µm）和色散的相位计算；

e 1B代库的相位和色散计算，与1A代库相比只是将高度增加到1400 nm；

f 第2代库的相位和色散计算，保持与第1B代库相同的高度，但切换到具有四重对称性而不是旋转对称性的原型；

g，h 使用第1A代和第2代超元胞制作的超表面透镜的SEM图。

a 光学实验装置示意图；

b 超表面透镜样本的光学图像；

c 超表面透镜M1A的测量远场强度分布；

d 超表面透镜M1B的对应实验结果。

a 色散范围；

b 使用1B代库实现的超表面透镜M2（D =200 μm和NA = 0.12）的测量远场强度分布；

c 使用第2代库实现的超表面透镜M3（D =100 μm和NA = 0.85）的测量远场强度分布。

a 选择波长下超表面透镜M1B（D =100μm和NA = 0.24）的焦平面强度分布；

b 与理想的艾里斑点相比，与图a相对应的水平和垂直测量的焦点；

c 四个超表面透镜的焦距与波长的函数关系图；

d 超表面透镜的测量聚焦效率；

e 四个超表面透镜焦点的FWHM；

f 超表面透镜的计算Strehl比率。