《自然-纳米技术》:我院与台湾合作在消色差超构透镜研究上再获重要突破

发布者:钟芳发布时间:2018-02-05

视觉是人类从外界获取的信息的主要途径。视觉感受到的丰富色彩使可以我们区分不同的事物,同时也给我们的生活带来多姿多彩。如何对着彩色世界的进行最好的成像是人们一直以来追求的目标,这也是光学研究领域的重要课题。然而,要实现高质量的成像,对光学系统的要求很高,我们需要克服很多问题。其中,由于光学材料的色散以及不同波长光场的相位累积的不同,造成光学系统中或多或少的存在着色差。色差问题严重的影响着宽波段工作的光学系统的精度和效果,特别是在可见光波段的彩色成像。

近期,我院李涛/祝世宁院士团队研究员王漱明与台湾中央研究院应用科学中心蔡定平教授团队合作,在之前近红外波段实现消色差超构透镜的基础上,进一步在可见光宽带消色差超构透镜的研究方向取得了重大的突破。他们首次使用宽带消色差超构透镜,实现了白光照明成像以及彩色图片成像,并得到了很好的消色差的成像效果(见图1)。

1、基于全介质超构透镜获得覆盖全可见光消色差透镜成像的示意图。

在这之前,该联合团队已经在宽带消色差超构表面领域取得了引人注目的进展(Nature Communications 8, 1872017))。他们首创的集成共振与几何相位设计结合,为同时在空域和频域调控超构表面的相位提供了强大的手段,并具有很好的普适性和通用性。然而,人们并不满足于在近红外波段的消色差功能,更期望在可见光波段取得突破。为此,国际上的研究竞争也异常激烈。在本工作中,该团队使用不同尺寸的介质柱结构,得到了工作效率较高,且相位曲线与频率成正比的超构单元,以获得由于色散造成的连续波段相位补偿。他们还引入了不同尺寸的介质槽结构,用来得到更大的相位补偿值(见图2)。这种基于高阶导波共振的设计,突破了之前基于金属棒的等离激元共振的局限,使得该集成共振原理可以在全介质体系中实现,为该设计方案开拓了更广阔的实用空间。根据该方法设计的集成共振单元,可以组成覆盖可见光波段(400nm-660nm,带宽为中心波长的1/2)的宽带消色差超构透镜,如图3所示。这是现在的集成光学器件和日常生活所渴望得到的,比如手机镜头等等。

2、(aGaN纳米柱结构单元的共振效率和相位谱,(bGaN纳米槽结构单元的共振效率和相位谱。

3、可见光宽带消色差超构透镜。(a)样品照片;(b,c)样品细节的SEM照片,(d)实验测得波长400-640 nm的宽带消色差聚焦。

研究团队进一步使用制作完成的消色差超构透镜对白光照明的美军标1951分辨率板进行成像,可以得到很好的白光成像的效果。为了比较消色差呈现过的效果,作者也制作了单纯使用几何相位设计的非消色差超构透镜,并对白光照明的分辨率板也进行了成像。可以看到,没有消色差设计的超构透镜的色差非常明显,成像图案中出现了各种颜色的色差效应。但是经过宽带消色差设计的超构透镜成像图案始终是白色的。更精细的线条成像结果显示其对应的线条宽度为2.19微米,接近这个透镜的成像分辨率的理论极限。可见这个宽带消色差超构透镜具有更好的成像效果。而且,相较于他们前面发表在Nature Communications上的工作结果,可见光消色差超构透镜具有更高的工作效率,可以达到40-50%。在白光照明成像的基础上,作者首次使用宽带消色差超构透镜对彩色图片进行成像,可以得到无色差的色彩丰富的成像效果,如图4所示。这是迄今首次在可见过波段进行消色差的彩色超构透镜成像的实现和报道。该工作近日发表于Nature Nanotechnologyhttps://www.nature.com/articles/s41565-017-0052-4)。


4、白光照明成像与彩色成像。(a)使用宽带消色差超构透镜对分辨率板71-3级线条的白光照明成像;(b)使用单纯几何相位设计的超构透镜对同一位置成像;(c)使用宽带消色差超构透镜对分辨率板74-6级线条的白光照明成像;(d-f)使用宽带消色差超构透镜彩色图片的成像。

当前可见光宽带消色差超构透镜已经成为研究者们广泛关注的热点。近期连续的在该领域的新成果报道,表明超构透镜正在以飞快的速度实现对自身成像能力的完善和对传统透镜的挑战。相信不久的将来,超构透镜可以凭借在特定领域自身独有的优异表现,应用于人们的生活和工作之中。

南京大学是本论文的第一单位,现代工程与应用科学学院的王漱明研究员是论文第一作者,台湾中研院蔡定平教授是论文的通讯作者。该研究受到李涛教授、祝世宁院士和王振林教授的精心指导,并得到科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金、南京大学登峰计划(B类)等项目的支持。

(现代工学院量子电子学与光学工程系)