中山大學(xué)物理學(xué)院、光電材料與技術(shù)國家重點實驗室王雪華教授、李俊韜教授和梁浩文副教授研究團(tuán)隊最近提出將相位色散調(diào)控能力有限的超構(gòu)原子區(qū)分復(fù)用地制備到臺階相位色散補償層上，實現(xiàn)了同時具有高數(shù)值孔徑、大口徑尺寸和寬帶消色差的“高大寬”消色差平面透鏡，突破了消色差平面透鏡“高大寬”不可兼得的長期困境。相關(guān)研究成果以“High-Performance Achromatic Flat Lens by Multiplexing Meta-Atoms on a Stepwise Phase Dispersion Compensation Layer”為題于2025年3月5日發(fā)表在國際光學(xué)頂級期刊《Light: Science & Applications》上。
 

圖1：“高大寬”消色差平面透鏡的物理設(shè)計、器件特征、聚焦性能及成像性能
 

　　1609年伽利略利用望遠(yuǎn)鏡(透鏡組)開啟了人類觀察觀測宇宙的新紀(jì)元，然而光學(xué)固有的偏折色散導(dǎo)致觀測目標(biāo)成像呈現(xiàn)色差彩虹效應(yīng)。為消除色差效應(yīng)，1729年，霍爾發(fā)明了一件光學(xué)“神器”—消色差透鏡，開啟了消色差透鏡近300年的研發(fā)歷程。現(xiàn)代信息化技術(shù)要求發(fā)展小型化、集成化和輕薄化的新型消色平面差透鏡。亞波長尺度人工超構(gòu)原子具有一定的相位色散調(diào)控能力，利用這種特性可以令有序排列的超構(gòu)原子實現(xiàn)消色差聚焦和成像，從而設(shè)計出消色差平面透鏡。然而，這些超構(gòu)原子調(diào)控相位色散的能力有限，限制了消色差平面透鏡的性能，導(dǎo)致消色差平面透鏡無法同時實現(xiàn)高數(shù)值孔徑、大口徑尺寸及寬帶消色差。為突破 “高大寬”不可兼得的長期固有困境，科學(xué)家們提出過許多解決方法，但這些方法都未能從根本上解決這一難題。
 

　　為此，王雪華研究團(tuán)隊提出一種全新的超構(gòu)原子區(qū)分復(fù)用方法：利用臺階相位色散補償層將平面透鏡分成傳播相位階梯變化的不同區(qū)域，從而實現(xiàn)超構(gòu)原子相位色散有限調(diào)控的區(qū)分復(fù)用。原理上，這種復(fù)用可以不斷重復(fù)下去，從根本上解決了消色差平面透鏡固有的“高大寬”不可兼得的長期困境。該研究為消色差平面透鏡在光子集成芯片，生物醫(yī)學(xué)成像、人工智能、自動駕駛、機器視覺等新興領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用掃清了障礙。
 

　　中山大學(xué)為該成果的第一署名單位，中山大學(xué)物理學(xué)院博士研究生林錦根和陳進(jìn)北為論文共同第一作者，王雪華教授、李俊韜教授與梁浩文副教授為論文共同通訊作者。該工作得到了國家重點研發(fā)計劃項目、國家自然科學(xué)基金項目、廣東省重點領(lǐng)域研發(fā)計劃項目等的大力支持。