制造多色鏡片的新方法可能會(huì)啟發(fā)新一代用于手機(jī)和無(wú)人機(jī)等便攜設(shè)備的小型、廉價(jià)且功能強(qiáng)大的光學(xué)元件。但一直以來(lái)，這種透鏡很難同時(shí)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(kāi)發(fā)出了一種新方法，有望解決這個(gè)問(wèn)題。

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

Jordaan說(shuō)："我們的設(shè)計(jì)有很多優(yōu)點(diǎn)，可以應(yīng)用于實(shí)際設(shè)備。它很容易制造，因?yàn)樗�的縱橫比很低，每一層都可以單獨(dú)制造，然后封裝在一起。它還對(duì)偏振不敏感，并且有可能通過(guò)成熟的半導(dǎo)體納米制造平臺(tái)進(jìn)行擴(kuò)展。"

該項(xiàng)目由德國(guó)弗里德里希·席勒大學(xué)耶拿分校的研究人員領(lǐng)導(dǎo)，是國(guó)際研究培訓(xùn)小組Meta-ACTIVE的一部分。詳細(xì)介紹他們?cè)O(shè)計(jì)的論文發(fā)表在《光學(xué)快報(bào)》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(gè)數(shù)量級(jí)。它們可以被設(shè)計(jì)成具有傳統(tǒng)光學(xué)器件不可能具有的短焦距等特性。

Jordaan說(shuō)，最初，研究團(tuán)隊(duì)試圖用單層透鏡聚焦多個(gè)波長(zhǎng)，但他們遇到了一些基本的限制。事實(shí)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(guò)來(lái)又限制了數(shù)值孔徑、物理直徑和工作帶寬的乘積。

他說(shuō)："為了在我們需要的波長(zhǎng)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(jì)的目的，或者基本上數(shù)值孔徑非常低，以至于根本無(wú)法聚焦光線(xiàn)。""我們意識(shí)到我們需要一個(gè)更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，于是想到了多層方法。"

隨著設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向包含多個(gè)超構(gòu)透鏡層，該團(tuán)隊(duì)采用基于形狀優(yōu)化的逆向設(shè)計(jì)算法來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，參數(shù)化意味著很大的自由度。他們指導(dǎo)軟件搜索超構(gòu)表面形狀，對(duì)于單個(gè)波長(zhǎng)，在電偶極子和磁偶極子中產(chǎn)生簡(jiǎn)單的共振，即惠更斯共振。

通過(guò)利用共振，該團(tuán)隊(duì)能夠改進(jìn)其他小組先前的設(shè)計(jì)，并開(kāi)發(fā)出與偏振無(wú)關(guān)的超構(gòu)透鏡設(shè)計(jì)，并且在制造規(guī)格上具有更大的公差，這對(duì)于實(shí)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(gè)形狀驚人的超構(gòu)材料元素庫(kù)，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(gè)相移范圍，使團(tuán)隊(duì)能夠創(chuàng)建相梯度圖來(lái)實(shí)現(xiàn)任何任意的聚焦模式——盡管他們最初的目標(biāo)只是傳統(tǒng)透鏡的簡(jiǎn)單環(huán)形結(jié)構(gòu)。

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

Jordaan說(shuō)，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(lái)的便攜式成像系統(tǒng)帶來(lái)好處。他說(shuō)："我們?cè)O(shè)計(jì)的超構(gòu)透鏡將是無(wú)人機(jī)或地球觀(guān)測(cè)衛(wèi)星的理想選擇，因?yàn)槲覀冊(cè)噲D讓它們盡可能小和輕。"

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