南京大學李濤/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外觀器件上取得緊張進展，他們提出集成共振的方案并與幾何相位結合，成功設計并演示了工作帶寬達到450納米的反射性超構透鏡消色差聚焦及定向反射，在超構外觀器件的實用化邁出了緊張一步。

超構外觀（Metasurface）是通過一薄層亞波長結構單元去局域地控制空間光場的相位、偏振、及強度等分布的光學設計。它可以有用地調控光的傳播性子，實現(xiàn)如聚焦、負折射、隱身地毯等功能，同時避免了在體塊超構材料（Metamaterial）內部傳播的偉大損耗，因而具有緊張的應用前景。而且，超構外觀的厚度僅在波長量級甚至更薄，具有優(yōu)秀的微納光學集成功能，比如其特有的平面結構，為研制平板透鏡等光學器件提供了全新的設計原理。

當前，人們已經(jīng)展示了行使超構外觀研制的平板超構透鏡（百納米量級厚度）可以媲美傳統(tǒng)光學顯微鏡鏡頭的成像結果。不過，此類新原理設計真正走向應用還面臨幾項緊張?zhí)翎?，材料色散及衍射效應導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域大家公認的目標。圍繞這個目標，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)超構外觀的結構單元所提供的參數(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償。因此，人們亟待發(fā)展出新的設計原理和方法來突破超構外觀器件消色差帶寬的瓶頸。

圖1. 傳統(tǒng)色差的超構透鏡和消色差超構透鏡的結構和聚焦示意圖。

近期，當代工程與應用科學學院李濤教授、祝世寧院士研究組與臺灣中間研究院的蔡定平教授合作，在解決超構外觀器件在延續(xù)寬頻段上消色差的方面取得了龐大進展。他們首先將透鏡聚焦所必要的相位分解成兩部分，即：頻率無關的基礎相位和頻率相干的補償相位（與頻率成正比）。然后巧妙結合超構外觀結構設計的兩種方案（共振性和幾何相位性），通過幾何相位設計聚焦透鏡必要的基礎相位分布，再通過共振設計補償不同頻率帶來的相位色散。必要分外強調的是，通常的共振帶來相位轉變都是突變的，不知足與頻率成正比的線性相位補償。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，成功設計出知足聚焦透鏡要求的一系列不同斜率的線性相位補償?shù)慕Y構單元（見圖2a）。圖2b表現(xiàn)了行使納米加工制備的反射性超構透鏡樣品照片，整個鏡片的直徑約55微米。右側電子顯微鏡照片反映出了該超構透鏡的結構單元具有幾何相位的旋轉排布，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構與金屬反射鏡結合產(chǎn)生所必要的不同斜率線性相位補償。（b）根據(jù)設計實驗加工出的樣品光學顯微照片（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果圖（工作波段：1200nm-1650nm，帶寬：450nm）。

接下來的光學測試獲得的消色差結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果，焦距與理論設計基本同等。值得一提的是，這個消色差聚焦鏡的帶寬達到了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，遠遠超出前人的效果。而且，這個方案不僅可以設計延續(xù)寬帶的超構外觀聚焦鏡，還可以設計延續(xù)寬帶的超構外觀反射板。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)。南京大學當代工程與應用科學學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的蘇文生博士為并列第一作者，并列通信作者是南京大學的李濤教授、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（納米專項和量子調控），國家天然科學基金創(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登峰人才計劃（B類）的支撐。

（當代工程與應用科學學院 科學技術處）