南京大學(xué)李濤/祝世寧研究組聯(lián)合臺(tái)灣“中央”研究院蔡定平研究組在寬帶消色差超構(gòu)表面器件上取得重要進(jìn)展，他們提出集成共振的方案并與幾何相位結(jié)合，成功設(shè)計(jì)并演示了工作帶寬達(dá)到480 nm的反射性超構(gòu)透鏡消色差聚焦及定向反射，在超構(gòu)表面器件的實(shí)用化方面邁出了重要一步。
圖1 南京大學(xué)李濤課題組照片。右一：李濤教授; 右三：王漱明研究員
當(dāng)前的信息技術(shù)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(dá)的重要載體，光學(xué)技術(shù)是人與信息交互中最廣泛也最為重要的手段。然而，受光學(xué)衍射極限、成像條件、材料光學(xué)參數(shù)等限制，傳統(tǒng)的光學(xué)元件通常具有宏觀尺度，對(duì)空間需求大，對(duì)環(huán)境穩(wěn)定性要求高。比如常見的由透鏡、分光鏡、反射鏡等構(gòu)建的光學(xué)系統(tǒng)，因受光學(xué)材料色散、傍軸條件的限制，人們需要精心地設(shè)計(jì)組合透鏡元件，對(duì)色差、像差進(jìn)行矯正才能獲得良好的光學(xué)成像性能。這很難滿足人們對(duì)器件的便攜性、小型化、穩(wěn)定度等要求。
超構(gòu)表面（metasurface）是通過一薄層亞波長結(jié)構(gòu)單元去局域地控制空間光場的相位、偏振、及強(qiáng)度等分布的光學(xué)設(shè)計(jì)。它可以有效地調(diào)控光的傳播性質(zhì)，實(shí)現(xiàn)如聚焦、負(fù)折射、隱身地毯等功能，同時(shí)避免了在體塊超構(gòu)材料（metamaterial）內(nèi)部傳播的巨大損耗，因而具有重要的應(yīng)用前景。而且，超構(gòu)表面的厚度僅在波長量級(jí)甚至更薄，具有優(yōu)異的微納光學(xué)集成功能。其特有的平面結(jié)構(gòu)，為研制平板透鏡等光學(xué)器件提供了全新的設(shè)計(jì)原理。
目前，人們已經(jīng)展示了利用超構(gòu)表面研制的平板超構(gòu)透鏡（百納米量級(jí)厚度）可以媲美傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡鏡頭的成像效果。不過，此類新原理設(shè)計(jì)真正走向應(yīng)用還面臨幾項(xiàng)重要挑戰(zhàn)，材料色散及衍射效應(yīng)導(dǎo)致的色差就是其中之一。
圖2 傳統(tǒng)色差的超構(gòu)透鏡和消色差超構(gòu)透鏡的結(jié)構(gòu)和聚焦示意圖
如何實(shí)現(xiàn)器件的寬帶消色差是該領(lǐng)域大家公認(rèn)的目標(biāo)。圍繞這個(gè)目標(biāo)，國際上正在開展激烈的研究競賽。前人已報(bào)道的工作大多是通過參數(shù)優(yōu)化方法實(shí)現(xiàn)幾個(gè)孤立波長的消色差。對(duì)于連續(xù)波段的消色差，目前報(bào)道最好結(jié)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(tǒng)超構(gòu)表面的結(jié)構(gòu)單元所提供的參數(shù)空間很難同時(shí)滿足消色差透鏡所需的空域相位分布和頻域相位補(bǔ)償。因此，人們亟待發(fā)展出新的設(shè)計(jì)原理和方法來突破超構(gòu)表面器件消色差帶寬的瓶頸。
近期，南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院李濤教授、祝世寧院士研究組與臺(tái)灣“中央”研究院蔡定平教授研究組合作，在解決超構(gòu)表面器件在連續(xù)寬頻段上消色差的方面取得了重大進(jìn)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(guān)的基礎(chǔ)相位和與頻率相關(guān)的補(bǔ)償相位（與頻率成正比）。然后巧妙結(jié)合超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的兩種方案（共振性和幾何相位性），通過幾何相位設(shè)計(jì)聚焦透鏡需要的基礎(chǔ)相位分布，再通過共振設(shè)計(jì)補(bǔ)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(jié)構(gòu)與金屬反射鏡結(jié)合產(chǎn)生所需要的不同斜率線性相位補(bǔ)償;（b）根據(jù)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)加工出的樣品光學(xué)顯微照片（左）和局部放大電子顯微鏡照片（右）
需要特別強(qiáng)調(diào)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(bǔ)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(gè)共振之間的線性相位區(qū)域，成功設(shè)計(jì)出滿足聚焦透鏡要求的一系列不同斜率的線性相位補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)構(gòu)單元（見圖3a）。圖3b顯示了利用納米加工制備的反射性超構(gòu)透鏡樣品照片，整個(gè)鏡片的直徑約55 μm。右側(cè)電子顯微鏡照片反映出了該超構(gòu)透鏡的結(jié)構(gòu)單元具有幾何相位的旋轉(zhuǎn)排布，以及不同納米棒形狀及數(shù)目的集成共振性質(zhì)。
圖4 （a）實(shí)驗(yàn)測(cè)量與（d）理論模擬獲得消色差聚焦效果圖
光學(xué)測(cè)試獲得的消色差效果與理論計(jì)算的結(jié)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(shè)計(jì)基本一致。值得一提的是，這個(gè)消色差聚焦鏡的帶寬達(dá)到了480 nm，已經(jīng)接近中心波長的1/3，這是現(xiàn)有報(bào)道中最大的消色差帶寬，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出前人的結(jié)果。而且，這個(gè)方案不僅可以設(shè)計(jì)連續(xù)帶寬的超構(gòu)表面聚焦鏡，還可以設(shè)計(jì)連續(xù)帶寬的超構(gòu)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(xù)寬帶消色差超構(gòu)表面反射板示意圖;（b）不同頻率相位差示意圖;（c）理論計(jì)算各種頻率下消色差樣品的反射角度;（d）實(shí)驗(yàn)制備消色差反射板的SEM圖;（e）實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到的反射效果
圖6 南京大學(xué)王漱明研究員（左）與臺(tái)灣“中央”研究院蔡定平教授（右）合影。
該工作近日發(fā)表在 NATURE COMMUNICATIONS [8, 187 (2017)] 上。南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院研究員王漱明博士是論文的第一作者，臺(tái)灣“中央”研究院的吳品頡博士和臺(tái)灣大學(xué)的蘇文生博士為并列第一作者，并列通訊作者是南京大學(xué)的李濤教授、王漱明研究員、祝世寧院士以及臺(tái)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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