宽带消色差像差超表面-折射光学混合器件

悲伤的丑小鸭

导 读

哈佛大学(Capasso组)和新加坡国立大学(C.W.Qiu组)研究人员实现了一种超表面校正器（metacorrector），采用可调相位和人工色散相结合的方法，实现了对商用级大型球面平凸透镜的球面像差和色差的校正。这种混合方案使得传统折射光学和超表面的优势都得到了极大的互补发挥，从而实现了毫米级，宽波段，衍射极限成像，消色差，群延迟以及群延迟一阶导数的metacorrector, 将超表面校正器用于校正最先进的浸入式物镜中的残余像差，这极大地增加了其从紫色到近红外波长的带宽，进一步验证了这种方法的有效性。在维持住高端镜头组所能提供的先进功能之上，大幅降低了精工打磨和集成的难度和成本，让metasurface和传统棱镜相映成辉。相关工作以《Broadband achromatic metasurface-refractive optics》为题，发表在《Nano Letters》上。

背景

材料色散是自然界中所有材料的固有特性。由于光学材料的色散以及不同波长光场相位累积的不同，造成光学系统中或多或少的存在着色差。消色差对于实现宽频段工作是必需的，但要在整个可见光波段实现这一目标是一个技术上的挑战。现有的校正光学系统色差的方法仅限于两种: 改变折射透镜中的材料色散，或通过衍射光学元件结合光栅色散。

最近，单层宽带消色差超表面透镜已经被证实，但是由于需要较大的群延迟，其直径限制在100微米左右。超表面可以用半导体芯片行业的标准工艺来制造，并且可以通过局部控制散射光的相移，幅度和偏振，从而以基本上任意的方式重塑衍射波前。通过采用合适的超表面透镜元胞的纳米构型，色散可以人为进行设计，从而使得群延迟不随波长变化，因而群延迟色散在期望波段可以忽略不计。典型的纳米构型有柱状结构和鳍状结构，它们可以被视为具有亚波长长度的波导结构，可以用有效模式折射率来描述。

创新研究

研究人员设计并制造了一种超表面校正器（图1），利用各向异性纳米鳍片来保持精确的相位分布（图2），并引入人工分散以分别校正球面和色差。通过控制亚波长纳米结构内光的限制，色散可以在超表面上进行微调，这比折射和菲涅耳光学系统提供的方法更强大，证实了人为设计的色散单个超表面可用于校正折射透镜的球面和色差。实验表明，与折射和衍射双合透镜相比，超表面折射透镜焦距偏移更小，如图3所示。

随后，在不同带通滤波器的非相干照射下，使用混合透镜对标准分辨率目标进行成像（图4）。在使用超表面校正器的情况下，图像显示出清晰的边缘轮廓，而在不使用超表面校正器的情况下，颜色分散，形成模糊图像和彩虹状边缘。为进一步验证超表面校正器的特性，将超表面校正器用于校正Zeiss高数值孔径（NA =1.45）油浸荧光显微镜物镜中的残余像差，该物镜由14个透镜和7种不同的玻璃材料组成，极大的增大了其在紫色到近红外线范围内的带宽，如图5所示。这些超曲面像差校正器可以与传统的折射光学元件协同工作，从而性能显着改善，同时降低了设计复杂性和占用面积。

图 文 速 览

图一 超表面校正器的设计

（a）由超表面校正器和球面透镜组成的混合透镜示意图；

（b）从超表面校正器中心到边缘的群延迟（GD）和群延迟色散（GDD）；

（c）不同入射波长下超表面校正器的相位轮廓。该超表面校正器具有与波长相关的相位轮廓，以校正球面和色差。

图二 超表面校正器的实现

（a）在玻璃基板上由TiO2纳米鳍制成的超表面校正器部分区域的扫描显微镜图；

（b）透射电场的模拟相移。

图三 混合透镜的实验表征

（a）效率与波长的函数关系图；照明光源是一种以不同波长为中心的10nm带宽可调谐宽带激光器。聚焦效率由焦斑的功率定义，归一化为入射光束的功率；

（b）在使用（蓝色）和不使用（绿色）超表面校正器的情况下，模拟焦距偏移；

（c），（d）在使用（蓝色）和不使用（绿色）超表面校正器的情况下，在线性尺度（与它们各自波长相对应的假色）测量的强度分布；

（e），（f）沿（c）和（d）的白色虚线的归一化强度分布图。


图四 非相干光照射下的成像

（a）由折射球面透镜和超表面校正器形成的1951 USAF分辨率目标的图像；

（b），（c）在超表面校正器存在和不存在（c）的情况下，白光照射下的成像比较；

在没有超表面校正器的情况下获得的图像显示出显著的色差，导致图像模糊。在（a）和（b）中使用一对交叉线性偏振器以除去背景。

图五 校正NA=1.45的Zeiss油浸荧光物镜的像差

（a）λ= 560 nm的瑞利散射图；

（b）在使用和不使用超表面校正器的情况下，模拟焦距偏移的比较；

（c）在校正和非校正透镜的三个主要可见波长处模拟焦斑轮廓；

（d）从超表面校正器的中心到边缘所需群延迟和群延迟色散；

（e）考虑群延迟和群延迟色散，物镜（橙色）和具有超表面校正器（蓝色）的物镜的均方根波前像差函数。

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stary666

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wudianjun2001

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