利用宽带消色差和偏振不敏感金属透镜提高图像质量

原文标题​：Enhancing image quality with broadband achromatic and polarization-insensitive metalenses

​翻译：光电查

金属透镜，通过由相变材料组成的纳米鳍 NF1 和 NF2 的正交或平行排列，将不同波长的光聚焦在同一点，从而减少色差。资料来源：Advanced Photonics Nexus (2023)。DOI: 10.1117/1.APN.2.5.056002

对光的精确控制是光学成像、传感和通信的一项关键要求。为此采用的传统透镜有其局限性，需要更精确、更紧凑的解决方案。为了满足这一需求，研究人员开发出了金属透镜，即由尺寸小于光波长的纳米材料制成的超薄透镜。这些亚波长元件提供了异常精确地操纵光波的手段，有助于精确控制光波的振幅、相位、偏振和方向。
 

此外，与笨重的透镜相比，金属透镜更容易生产，是微型化和高度集成光学设备的理想选择。不过，亚波长元件也使金属透镜容易产生色差。在这种情况下，当光线通过金属透镜时，每种波长的光线在与亚波长结构相互作用时都会发生不同的相移。因此，各种颜色或波长的光线不会汇聚在同一点，从而导致失焦和图像质量下降。

现在，在《Advanced Photonics Nexus》发表的一项新研究中，研究人员提出了一种创建宽带消色差和偏振不敏感金属透镜（BAPIML）的新方法。他们的方法利用了光斑分辨率的瑞利准则（Rayleigh criterion），这是光学领域的一项基本原理，用于定义成像系统中可分辨的最小细节。

"期刊编辑、佛罗里达国际大学的 Alex Krasnok 教授指出："报告中提到的科学和技术进步值得关注，因为它们为解决元表面的色差问题提供了一条途径，而色差问题一直是阻碍该领域发展的难题。

根据光斑分辨率的瑞利准则，当一个点光源产生的衍射图样的中心落在另一个点光源衍射图样的第一个最小值上时，就可以分辨出间隔很近的点光源。当衍射图样接近这个极限时，两个点就无法相互区分了。这一原理在设计望远镜和显微镜时发挥了重要作用，分别用于分辨天体和捕捉微小标本中最微小的细节。在这项研究中，研究人员巧妙地应用了这一概念，开发出两种互补的金属透镜，将亮点合并成一个聚焦点。

他们利用相变材料 Ge2Sb2Se4Te1 制成的纳米翼片制造了这两种金属透镜。这些纳米翼片以正交或平行的方向相互排列，旨在为通过它们的光线引入相移。其中一个纳米翼片在波长为 4 微米时起到半波板的作用，而另一个纳米翼片在波长为 5 微米时起到半波板的作用。

金属透镜在光线照射下会产生两个明显的亮点，聚焦在不同的位置。然而，通过仔细调整金属透镜的半径和焦距等参数，研究人员成功地将亮点合并为一个聚焦点，效率高达 43%。简而言之，透镜将不同波长的光聚焦在同一点，从而抵消了色差。

最后，研究人员通过产生宽带消色差和偏振不敏感的聚焦光学漩涡，展示了其方法的多功能性。"Krasnok 教授说："简而言之，这项工作标志着我们正走在制造透镜的道路上，这种透镜可以更好地处理光线而不会失真，并有可能改善各种光学应用。

这种开发 BAPIML 的新方法为改进成像和光学应用（包括分子传感、生物成像、探测器和全息显示）打开了大门。

参考资料

Ximin Tian et al, Differentiated design strategies toward broadband achromatic and polarization-insensitive metalenses, Advanced Photonics Nexus (2023). DOI: 10.1117/1.APN.2.5.056002

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