南昌大学设计高效宽带消色差超透镜，提升AR/VR光学性能
超透镜
（映维网Nweon 2025年01月16日）超透镜以其紧凑和灵活的特性在聚焦和成像方面得到了广泛的研究。然而，如何设计出在任意偏振入射下都能保持高效率的宽带消色差超透镜依然是一个重大挑战。在一项研究中，南昌大学团队设计了一种宽带消色差超透镜，通过有效地利用透射光的共偏振和交叉偏振分量来实现跨偏振高效对焦。
团队通过极简各向异性纳米fin库，利用粒子群算法优化各设计波长超构透镜的相位分布。数值模拟表明，在450 ~ 650 nm可见波长范围内，激光器的焦距偏差小于4%，平均对焦效率为80.5%。
另外，研究人员设计了一个多波长离轴双焦超透镜，以演示方法对输出光相位和色散的灵活控制。设计的通用性使其能够在各种超表面设备中实现，并加速AR/VR的应用。
超表面是由工程亚波长电磁谐振器组成的二维平面结构。通过超构单元的策略性布置，可以大幅放大电磁辐射与物质之间的耦合，实现对振幅、相位、偏振和频率等多种光特性的敏捷调制。
得益于精确的波前操作，超表面在设计现代光学元件方面取得了新的进展，如光束偏转器、超透镜、超传感器和超全息图等。将超表面应用于需要宽带或多波长操作的成像系统的一个重大挑战是其固有的色差。
为了解决这一问题，业界提出了各种超透镜的设计方案，包括多层超表面、空间复用和区域干涉。尽管相关方法可以在多个波长上实现一致的焦距，但它们通常涉及权衡，例如降低对焦效率，复杂的制造工艺，有限的结构自由度以及与层间耦合和对准相关的挑战等。
有研究表明，单层纳米结构可以实现衍射限制的消色差聚焦，并在470至670 nm的可见光谱范围内成像。然而，PB相位调制方法需要圆偏振入射光，从而增加了光学系统的复杂性，并且固有地将理论效率限制在50%以下。这一挑战可以通过使用对称的圆柱形或方形纳米柱作为组成结构来克服。不过，尽管对称设计可以提供偏振不灵敏度，但它们限制了设计空间和灵活性，潜在地阻碍它们在高质量成像系统中的适用性。
另一种方法是将各向异性结构的旋转角度限制在0度或90度，从而在保持极化不敏感的同时增加设计自由度。所述方法已广泛应用于元全息图和超透镜的设计中。最新的研究已经在可见光和红外中实现了消色差和偏振不敏感的性能，同时保持了衍射受限的性能。然而，先前基于PB相位的设计通常优先考虑偏振转换项，将守恒项视为杂散光，导致能量损失和降低了宽带宽下的对焦效率。
在设计超透镜时，必须精心管理极化转换和守恒项的贡献，以最大化器件的整体性能和效率。
在研究中，南昌大学团队采用极简的各向异性TiO2纳米fin作为超构单元来编译包含透射光偏振转换和守恒项的相位响应数据库。这个数据库使得团队能够描述各种相剖面和色散。
基于渐近相位补偿方法，他们采用粒子群优化算法对超透镜的相位轮廓进行优化，使相位匹配误差最小化。另外，研究人员展示了一种消色差的超透镜，它能够容纳任意偏振入射。在λ=450 ~ 650 nm的波长范围内，焦距位移的最大误差仅为4%，焦斑衍射有限。
原型充分利用偏振转换项和守恒项进行对焦，平均对焦效率达到80.5%。为了进一步证明这种设计的普遍性，团队同时开发了一种多波长离轴双焦超透镜，它能够将透射光的两个偏振态汇聚到不同的焦点。这展示了设计在虚拟现实和增强现实中的潜在应用。
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总的来说，通过最大限度地发挥共极化分量在提高对焦效率方面的作用，而不是将其视为杂散光，团队构建了一个极简的各向异性纳米fin库。采用粒子群算法对消色差超构透镜在各设计波长处的相位分布进行优化，这有效地减小了相位补偿误差，使其达到了最佳性能。
所述方法成功地实现了几乎整个可见光光谱的跨偏振高效消色差聚焦。另外，研究人员开发了一种多波长双焦超构透镜。这种设计为创建多样化和高效的光学元件提供了相当大的灵活性，使其非常适合AR/VR等应用。
