南京大學李濤/祝世寧研究組聯合臺灣“中央”研究院蔡定平研究組在寬帶消色差超構表面器件上取得重要進展，他們提出集成共振的方案并與幾何相位結合，成功設計并演示了工作帶寬達到480 nm的反射性超構透鏡消色差聚焦及定向反射，在超構表面器件的實用化方面邁出了重要一步。
圖1 南京大學李濤課題組照片。右一：李濤教授; 右三：王漱明研究員
當前的信息技術給人類生活帶來了日新月異的變化。光/光子是信息采集、傳輸和表達的重要載體，光學技術是人與信息交互中最廣泛也最為重要的手段。然而，受光學衍射極限、成像條件、材料光學參數等限制，傳統的光學元件通常具有宏觀尺度，對空間需求大，對環境穩定性要求高。比如常見的由透鏡、分光鏡、反射鏡等構建的光學系統，因受光學材料色散、傍軸條件的限制，人們需要精心地設計組合透鏡元件，對色差、像差進行矯正才能獲得良好的光學成像性能。這很難滿足人們對器件的便攜性、小型化、穩定度等要求。
超構表面（metasurface）是通過一薄層亞波長結構單元去局域地控制空間光場的相位、偏振、及強度等分布的光學設計。它可以有效地調控光的傳播性質，實現如聚焦、負折射、隱身地毯等功能，同時避免了在體塊超構材料（metamaterial）內部傳播的巨大損耗，因而具有重要的應用前景。而且，超構表面的厚度僅在波長量級甚至更薄，具有優異的微納光學集成功能。其特有的平面結構，為研制平板透鏡等光學器件提供了全新的設計原理。
目前，人們已經展示了利用超構表面研制的平板超構透鏡（百納米量級厚度）可以媲美傳統光學顯微鏡鏡頭的成像效果。不過，此類新原理設計真正走向應用還面臨幾項重要挑戰，材料色散及衍射效應導致的色差就是其中之一。
圖2 傳統色差的超構透鏡和消色差超構透鏡的結構和聚焦示意圖
如何實現器件的寬帶消色差是該領域大家公認的目標。圍繞這個目標，國際上正在開展激烈的研究競賽。前人已報道的工作大多是通過參數優化方法實現幾個孤立波長的消色差。對于連續波段的消色差，目前報道最好結果僅是60 nm（可見光波段 ）和140 nm（近紅外波段）的帶寬。其帶寬難以拓展的原因是傳統超構表面的結構單元所提供的參數空間很難同時滿足消色差透鏡所需的空域相位分布和頻域相位補償。因此，人們亟待發展出新的設計原理和方法來突破超構表面器件消色差帶寬的瓶頸。
近期，南京大學現代工程與應用科學學院李濤教授、祝世寧院士研究組與臺灣“中央”研究院蔡定平教授研究組合作，在解決超構表面器件在連續寬頻段上消色差的方面取得了重大進展。他們首先將透鏡聚焦所需要的相位分解成兩部分，即：與頻率無關的基礎相位和與頻率相關的補償相位（與頻率成正比）。然后巧妙結合超構表面結構設計的兩種方案（共振性和幾何相位性），通過幾何相位設計聚焦透鏡需要的基礎相位分布，再通過共振設計補償不同頻率帶來的相位色散。
圖3 （a）特殊排列的金屬納米棒結構與金屬反射鏡結合產生所需要的不同斜率線性相位補償;（b）根據設計實驗加工出的樣品光學顯微照片（左）和局部放大電子顯微鏡照片（右）
需要特別強調的是，通常的共振帶來相位變化都是突變的，不滿足與頻率成正比的線性相位補償。本工作中，他們提出了新穎的“集成共振”（integrated resonance）方案，通過特殊排列的金屬棒的多個共振之間的線性相位區域，成功設計出滿足聚焦透鏡要求的一系列不同斜率的線性相位補償的結構單元（見圖3a）。圖3b顯示了利用納米加工制備的反射性超構透鏡樣品照片，整個鏡片的直徑約55 μm。右側電子顯微鏡照片反映出了該超構透鏡的結構單元具有幾何相位的旋轉排布，以及不同納米棒形狀及數目的集成共振性質。
圖4 （a）實驗測量與（d）理論模擬獲得消色差聚焦效果圖
光學測試獲得的消色差效果與理論計算的結果符合得非常好。如圖4所示，在1200 nm到1650 nm的波段中，得到了很好的消色差聚焦效果，焦距與理論設計基本一致。值得一提的是，這個消色差聚焦鏡的帶寬達到了480 nm，已經接近中心波長的1/3，這是現有報道中最大的消色差帶寬，遠遠超出前人的結果。而且，這個方案不僅可以設計連續帶寬的超構表面聚焦鏡，還可以設計連續帶寬的超構表面反射板。在同樣的工作頻段，所有頻率的入射光束都可以以同一角度反射，見圖5。
圖5 （a）連續寬帶消色差超構表面反射板示意圖;（b）不同頻率相位差示意圖;（c）理論計算各種頻率下消色差樣品的反射角度;（d）實驗制備消色差反射板的SEM圖;（e）實驗測試得到的反射效果
圖6 南京大學王漱明研究員（左）與臺灣“中央”研究院蔡定平教授（右）合影。
該工作近日發表在 NATURE COMMUNICATIONS [8, 187 (2017)] 上。南京大學現代工程與應用科學學院研究員王漱明博士是論文的第一作者，臺灣“中央”研究院的吳品頡博士和臺灣大學的蘇文生博士為并列第一作者，并列通訊作者是南京大學的李濤教授、王漱明研究員、祝世寧院士以及臺灣“中央”研究院的蔡定平教授。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-017-00166-7
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