一种制造多色透镜的新方法或催生新一代小型、廉价且高性能的便携设备光学元件,如手机和无人机所用。该设计使用超材料层,能同时聚焦非偏振光源的多波长光且直径较大,克服了金属透镜的主要限制。论文第一作者、澳大利亚国立大学物理研究学院的约书亚·乔丹表示:“我们的设计具备诸多实用特性,低纵横比使其易于制造(每层可单独加工后组装),偏振不敏感,且可通过成熟半导体纳米制造平台扩展。”
该项目由德国耶拿大学主导,成果发表于《Optics Express》。金属透镜厚度仅为发丝的几分之一,远薄于传统透镜,可实现传统光学无法达到的短焦距。团队最初尝试单层设计,但受限于物理约束:单层超表面的最大群延迟有限,导致数值孔径、直径和带宽乘积受限。乔丹解释:“若要覆盖所需波长范围,单层设计要么直径过小(失去意义),要么数值孔径极低(几乎无法聚焦),因此转向多层结构。”
通过基于形状优化的逆向设计算法,团队引导软件搜索能在单波长下产生电偶极子和磁偶极子共振(惠更斯共振)的超表面形状,开发出偏振独立、制造容差更高的金属透镜。优化后得到多种形状的超材料单元(如圆角方形、四叶草、螺旋桨),高300纳米、宽1000纳米,可实现0至2π的相位梯度,理论上能生成任意聚焦图案(目前目标为传统透镜的环形结构)。
乔丹指出,多层设计最多支持五种波长(受限于长波长共振结构与短波长衍射的平衡),但聚光能力对未来便携成像系统意义重大:“我们设计的金属透镜尽可能小巧轻便,非常适合无人机或地球观测卫星。”