利用宽带消色差和偏振不敏感超透镜提高图像质量

光的精确控制是光学成像、传感和通信的关键要求。用于此目的的传统镜头有局限性，需要更精确和紧凑的解决方案。为了满足这一需求，研究人员开发了超透镜，这是由尺寸小于光波长的纳米材料制成的超薄透镜。这些亚波长元件提供了以极高的精度操纵光波的方法，有助于精确控制光波的振幅、相位、偏振和方向。

此外，与笨重的镜头相比，超镜头更容易生产，是小型化和高度集成光学设备的理想选择。然而，亚波长元件也使它们容易受到色差的影响。在这种情况下，当光穿过超透镜时，每个波长在与亚波长结构相互作用时会经历不同的相移。因此，各种颜色或波长的光不会汇聚在同一点，导致焦点丢失并降低图像质量。

现在，在Advanced Photonics Nexus上发表的 一项新研究中 ，研究人员提出了一种创建宽带消色差和偏振不敏感超透镜 (BAPIML) 的新方法。他们的方法利用了光斑分辨率的瑞利准则，这是光学中的基本原理，用于定义成像系统中的最小可分辨细节。佛罗里达国际大学的期刊编辑亚历克斯·克拉斯诺克(Alex Krasnok)教授指出：“报道的科学和技术进步引人注目，因为它们为解决超表面色差提供了一条途径，这一挑战阻碍了该领域的进展。”

根据光斑分辨率的瑞利准则，当一个点源产生的衍射图案的中心落在另一个点源的衍射图案的第一个最小值上时，可以分辨间隔很近的点源。当衍射图案接近此极限时，这两点变得无法区分。这一原理有助于设计望远镜和显微镜，分别用于区分天体和捕捉微小样本中最微小的细节。在这项研究中，研究人员巧妙地应用了这一概念，开发了两种互补的超镜头，将亮点合并成一个聚焦点。

他们使用由相变材料 Ge 2 Sb 2 Se 4 Te 1制成的纳米鳍制造了两种超透镜。这些纳米鳍相互正交或平行排列，旨在在穿过它们的光中引入相移。其中一个纳米鳍充当 4 µm 波长的半波片，而另一个纳米鳍充当 5 µm 波长的半波片。

当超透镜被光照射时，会产生两个不同的亮点，聚焦在不同的位置。然而，通过仔细调整超透镜的半径和焦距等参数，研究人员成功地将亮点合并为单个聚焦点，效率高达 43%。简而言之，镜头通过将不同波长的光聚焦在同一点来抵消色差。

最后，研究人员通过产生宽带消色差和偏振不敏感的聚焦光学涡旋来展示他们方法的多功能性。Krasnok 教授表示：“简单来说，这项工作表明我们正在致力于创造能够更好地处理光线而不失真的镜头，并有可能改善各种光学应用。”

这种开发 BAPIML 的新方法为广泛改进的成像和光学应用打开了大门，包括分子传感、生物成像、探测器和全息显示。