制造多色鏡片的新方法可能會啟發(fā)新一代用于手機和無人機等便攜設(shè)備的小型、廉價且功能強大的光學元件。但一直以來，這種透鏡很難同時聚焦多種顏色的光，限制了其應(yīng)用潛力。現(xiàn)在，研究人員開發(fā)出了一種新方法，有望解決這個問題。

據(jù)一篇論文的第一作者、澳大利亞國立大學物理學院和變革性元光學系統(tǒng)卓越中心（TMOS）的Joshua Jordaan介紹，這種設(shè)計采用多層超構(gòu)材料，可以同時聚焦非偏振光源發(fā)出的大直徑范圍的多波段波長，克服了超構(gòu)透鏡的一個主要局限性。

Jordaan說："我們的設(shè)計有很多優(yōu)點，可以應(yīng)用于實際設(shè)備。它很容易制造，因為它的縱橫比很低，每一層都可以單獨制造，然后封裝在一起。它還對偏振不敏感，并且有可能通過成熟的半導體納米制造平臺進行擴展。"

該項目由德國弗里德里希·席勒大學耶拿分校的研究人員領(lǐng)導，是國際研究培訓小組Meta-ACTIVE的一部分。詳細介紹他們設(shè)計的論文發(fā)表在《光學快報》上。

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超構(gòu)透鏡的厚度僅為頭發(fā)絲寬度的幾分之一，比傳統(tǒng)透鏡薄幾個數(shù)量級。它們可以被設(shè)計成具有傳統(tǒng)光學器件不可能具有的短焦距等特性。

Jordaan說，最初，研究團隊試圖用單層透鏡聚焦多個波長，但他們遇到了一些基本的限制。事實證明，單層超構(gòu)表面可獲得的最大群延遲具有物理局限性，這反過來又限制了數(shù)值孔徑、物理直徑和工作帶寬的乘積。

他說："為了在我們需要的波長范圍內(nèi)工作，單層透鏡的直徑必須非常小，但這違背了設(shè)計的目的，或者基本上數(shù)值孔徑非常低，以至于根本無法聚焦光線。""我們意識到我們需要一個更復雜的結(jié)構(gòu)，于是想到了多層方法。"

隨著設(shè)計轉(zhuǎn)向包含多個超構(gòu)透鏡層，該團隊采用基于形狀優(yōu)化的逆向設(shè)計算法來解決這個問題，參數(shù)化意味著很大的自由度。他們指導軟件搜索超構(gòu)表面形狀，對于單個波長，在電偶極子和磁偶極子中產(chǎn)生簡單的共振，即惠更斯共振。

通過利用共振，該團隊能夠改進其他小組先前的設(shè)計，并開發(fā)出與偏振無關(guān)的超構(gòu)透鏡設(shè)計，并且在制造規(guī)格上具有更大的公差，這對于實現(xiàn)工業(yè)規(guī)模制造至關(guān)重要。

優(yōu)化程序產(chǎn)生了一個形狀驚人的超構(gòu)材料元素庫，如圓形正方形、四葉草和螺旋槳。這些微小的形狀，高約300納米，寬約1000納米，跨越了從零到2pi的整個相移范圍，使團隊能夠創(chuàng)建相梯度圖來實現(xiàn)任何任意的聚焦模式——盡管他們最初的目標只是傳統(tǒng)透鏡的簡單環(huán)形結(jié)構(gòu)。

Jordaan說："例如，我們可以將不同波長的光聚焦到不同的位置，從而創(chuàng)建一個顏色路由器。"然而，Jordaan說，多層方法最多只能處理大約五種不同的波長。他說："問題在于，你需要足夠大的結(jié)構(gòu)才能在最長波長處產(chǎn)生共振，而不會從較短波長處產(chǎn)生衍射。"

Jordaan說，在這些限制條件下，制造能夠收集大量光的超構(gòu)透鏡的能力將為未來的便攜式成像系統(tǒng)帶來好處。他說："我們設(shè)計的超構(gòu)透鏡將是無人機或地球觀測衛(wèi)星的理想選擇，因為我們試圖讓它們盡可能小和輕。"

相關(guān)鏈接：https://dx.doi.org/10.1364/OE.564328