微型超构透镜改变智能手机、无人机和卫星的成像

制造多色镜片的新方法可能会启发新一代用于手机和无人机等便携设备的小型、廉价且功能强大的光学元件。但一直以来，这种透镜很难同时聚焦多种颜色的光，限制了其应用潜力。现在，研究人员开发出了一种新方法，有望解决这个问题。

据一篇论文的第一作者、澳大利亚国立大学物理学院和变革性元光学系统卓越中心（TMOS）的Joshua Jordaan介绍，这种设计采用多层超构材料，可以同时聚焦非偏振光源发出的大直径范围的多波段波长，克服了超构透镜的一个主要局限性。

Jordaan说："我们的设计有很多优点，可以应用于实际设备。它很容易制造，因为它的纵横比很低，每一层都可以单独制造，然后封装在一起。它还对偏振不敏感，并且有可能通过成熟的半导体纳米制造平台进行扩展。"

该项目由德国弗里德里希·席勒大学耶拿分校的研究人员领导，是国际研究培训小组Meta-ACTIVE的一部分。详细介绍他们设计的论文发表在《光学快报》上。

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超构透镜的厚度仅为头发丝宽度的几分之一，比传统透镜薄几个数量级。它们可以被设计成具有传统光学器件不可能具有的短焦距等特性。

Jordaan说，最初，研究团队试图用单层透镜聚焦多个波长，但他们遇到了一些基本的限制。事实证明，单层超构表面可获得的最大群延迟具有物理局限性，这反过来又限制了数值孔径、物理直径和工作带宽的乘积。

他说："为了在我们需要的波长范围内工作，单层透镜的直径必须非常小，但这违背了设计的目的，或者基本上数值孔径非常低，以至于根本无法聚焦光线。""我们意识到我们需要一个更复杂的结构，于是想到了多层方法。"

随着设计转向包含多个超构透镜层，该团队采用基于形状优化的逆向设计算法来解决这个问题，参数化意味着很大的自由度。他们指导软件搜索超构表面形状，对于单个波长，在电偶极子和磁偶极子中产生简单的共振，即惠更斯共振。

通过利用共振，该团队能够改进其他小组先前的设计，并开发出与偏振无关的超构透镜设计，并且在制造规格上具有更大的公差，这对于实现工业规模制造至关重要。

优化程序产生了一个形状惊人的超构材料元素库，如圆形正方形、四叶草和螺旋桨。这些微小的形状，高约300纳米，宽约1000纳米，跨越了从零到2pi的整个相移范围，使团队能够创建相梯度图来实现任何任意的聚焦模式——尽管他们最初的目标只是传统透镜的简单环形结构。

Jordaan说："例如，我们可以将不同波长的光聚焦到不同的位置，从而创建一个颜色路由器。"然而，Jordaan说，多层方法最多只能处理大约五种不同的波长。他说："问题在于，你需要足够大的结构才能在最长波长处产生共振，而不会从较短波长处产生衍射。"

Jordaan说，在这些限制条件下，制造能够收集大量光的超构透镜的能力将为未来的便携式成像系统带来好处。他说："我们设计的超构透镜将是无人机或地球观测卫星的理想选择，因为我们试图让它们尽可能小和轻。"

相关链接：https://dx.doi.org/10.1364/OE.564328