南京大學(xué)李濤/祝世寧研究組聯(lián)合臺灣中間研究院蔡定平研究組在寬帶消色差超構(gòu)外觀器件上取得緊張進(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)計并演示了工作帶寬達(dá)到450納米的反射性超構(gòu)透鏡消色差聚焦及定向反射，在超構(gòu)外觀器件的實用化邁出了緊張一步。

超構(gòu)外觀（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。它可以有用地調(diào)控光的傳播性子，實現(xiàn)如聚焦、負(fù)折射、隱身地毯等功能，同時避免了在體塊超構(gòu)材料（Metamaterial）內(nèi)部傳播的偉大損耗，因而具有緊張的應(yīng)用前景。而且，超構(gòu)外觀的厚度僅在波長量級甚至更薄，具有優(yōu)秀的微納光學(xué)集成功能，比如其特有的平面結(jié)構(gòu)，為研制平板透鏡等光學(xué)器件提供了全新的設(shè)計原理。

當(dāng)前，人們已經(jīng)展示了行使超構(gòu)外觀研制的平板超構(gòu)透鏡（百納米量級厚度）可以媲美傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡鏡頭的成像結(jié)果。不過，此類新原理設(shè)計真正走向應(yīng)用還面臨幾項緊張?zhí)翎?，材料色散及衍射效?yīng)導(dǎo)致的色差就是其中之一。如何實現(xiàn)器件的寬帶消色差是該領(lǐng)域大家公認(rèn)的目標(biāo)。圍繞這個目標(biāo)，國際上正在開展激烈研究競賽。前人已報道的工作大多是通過參數(shù)優(yōu)化方法實現(xiàn)幾個孤立波長的消色差。對于延續(xù)波段的消色差，目前報道最好效果僅是60nm（可見光波段）和140nm（近紅外波段）。其帶寬難以拓展的緣故原由是傳統(tǒng)超構(gòu)外觀的結(jié)構(gòu)單元所提供的參數(shù)空間很難同時知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)計原理和方法來突破超構(gòu)外觀器件消色差帶寬的瓶頸。

圖1. 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。

近期，當(dāng)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灣中間研究院的蔡定平教授合作，在解決超構(gòu)外觀器件在延續(xù)寬頻段上消色差的方面取得了龐大進(jìn)展。他們首先將透鏡聚焦所必要的相位分解成兩部分，即：頻率無關(guān)的基礎(chǔ)相位和頻率相干的補(bǔ)償相位（與頻率成正比）。然后巧妙結(jié)合超構(gòu)外觀結(jié)構(gòu)設(shè)計的兩種方案（共振性和幾何相位性），通過幾何相位設(shè)計聚焦透鏡必要的基礎(chǔ)相位分布，再通過共振設(shè)計補(bǔ)償不同頻率帶來的相位色散。必要分外強(qiáng)調(diào)的是，通常的共振帶來相位轉(zhuǎn)變都是突變的，不知足與頻率成正比的線性相位補(bǔ)償。本工作中，他們提出了新鮮的“集成共振（integrate resonance）”方案，通過特別排列的金屬棒的多個共振之間的線性相位區(qū)域，成功設(shè)計出知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2a）。圖2b表現(xiàn)了行使納米加工制備的反射性超構(gòu)透鏡樣品照片，整個鏡片的直徑約55微米。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，以及不同納米棒外形及數(shù)目的集成共振性子。

圖2. （a）特別排列的金屬納米棒結(jié)構(gòu)與金屬反射鏡結(jié)合產(chǎn)生所必要的不同斜率線性相位補(bǔ)償。（b）根據(jù)設(shè)計實驗加工出的樣品光學(xué)顯微照片（左）和局部放大電子顯微鏡照片（右）。

圖3. （a）實驗測量與（d）理論模仿獲得消色差聚焦結(jié)果圖（工作波段：1200nm-1650nm，帶寬：450nm）。

接下來的光學(xué)測試獲得的消色差結(jié)果與理論計算的效果吻合的特別很是好。如圖3所示，在1200nm到1650nm的波段中，得到了很好的消色差聚焦結(jié)果，焦距與理論設(shè)計基本同等。值得一提的是，這個消色差聚焦鏡的帶寬達(dá)到了450nm，已經(jīng)接近中間波長的1/3，這是現(xiàn)有報道中最大的消色差帶寬，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出前人的效果。而且，這個方案不僅可以設(shè)計延續(xù)寬帶的超構(gòu)外觀聚焦鏡，還可以設(shè)計延續(xù)寬帶的超構(gòu)外觀反射板。在同樣的工作頻段，所有頻率的入射光束都可以以統(tǒng)一角度反射，見圖4。

圖4. （a）延續(xù)寬帶消色差超構(gòu)外觀反射板示意圖，（b）不同頻率相位差示意圖，（c）理論計算各種頻率下消色差樣品的反射角度，（d）實驗制備消色差反射板的SEM圖，（e）實驗測試得到的反射結(jié)果。

該工作近日發(fā)表在NATURE COMMUNICATIONS 8, 187 (2017) (DOI: 10.1038/s41467-017-00166-7)。南京大學(xué)當(dāng)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，臺灣中間研究院的吳品頡博士和臺灣大學(xué)的蘇文生博士為并列第一作者，并列通信作者是南京大學(xué)的李濤教授、王漱明研究員、祝世寧院士以及臺灣中間研究院的蔡定平教授。該工作受到科技部重點研發(fā)計劃（納米專項和量子調(diào)控），國家天然科學(xué)基金創(chuàng)新群體項目、良好青年基金、面上基金項目的支撐，同時也感謝南京大學(xué)登峰人才計劃（B類）的支撐。

（當(dāng)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院 科學(xué)技術(shù)處）