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超透鏡 or 衍射透鏡：取道中庸
近來，新加坡國立大學仇成偉教授課題組提出了單層矯像差平面透鏡(Single-layer aberration-compensated flat lens, SLAC flat lens)用于廣角成像。此單層矯像差平面透鏡汲取了超透鏡與衍射透鏡兩家之長，既有超透鏡的超薄厚度又有衍射透鏡的簡單加工，在手機鏡頭和顯微成像等多個領域有潛在應用。
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| 圖1(a)、(b)、(c)分別是平凸透鏡、雙層超透鏡和單層矯正像差平面透鏡聚焦示意圖；(d)為單層矯正像差平面透鏡納米結構示意圖；(e)為單層矯正像差平面透鏡光學顯微圖；(g)為單層矯正像差平面透鏡與米尺對比圖；(f)和(h)分別為電子掃描顯微圖及放大視角；(i)為基于單層矯正像差平面透鏡的顯微鏡照片 |
由于超透鏡在重新定義光學產業方面潛在的革命性價值，其近年來很受追捧。同時，由于超透鏡的超薄特性和高性能，超透鏡已經成為微型化光學系統方面的突破性技術。廣角成像在微型化光學系統中至關重要，為了增大視場，加州理工大學Faraon課題組和哈佛大學Capasso課題組通過兩個超透鏡級聯的方式分別演示了厚度為1 mm和0.5 mm的可廣角成像的雙片超透鏡組。這類雙片超透鏡組有自己的局限：首先，這類雙片超透鏡不能很好利用超透鏡超薄的特性，毫米級的厚度會阻礙其在片上的應用；其次，費時而昂貴的電子束曝光加工方式極大地阻礙了其大規模量產的可能性；后，亞微米級的對準精度魯棒性差，這也是另一個阻止其大規模量產的原因。另一方面，使用量產級光刻加工的多層衍射透鏡也用于演示軸上矯正色差聚焦和大景深傍軸成像等應用。
超透鏡有著波長級別超薄厚度、媲美傳統透鏡的性能和可偏振操作等優勢，但超透鏡也有加工昂貴而費時、難以做大口徑和不適宜量產等缺陷。另一方面，多層衍射透鏡可用微電子工業常用的灰度光刻套刻大批量生產、可做厘米級大口徑平面透鏡加工，但其微米級別乃至數百微米的厚度不能做到真正意義上的超薄，極大限制了其在微型化光學系統中的應用。如何取超透鏡與衍射透鏡二者之長，避二者之短而取道“中庸”成為平面透鏡領域一個亟待解決的問題。
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| 圖2(a)、(b)、(c)、(d)分別是單層矯正像差平面透鏡遠場成像圖、遠場成像中心放大圖、USAF-1951顯微放大圖和羽毛顯微放大圖。 |
本次新加坡國立大學仇成偉教授課題組和中山大學李朝暉教授課題組取超透鏡和多層衍射透鏡兩家之長，提出并演示了廣角成像的、微米級厚度、可定制/可批量生產的單層矯像差平面透鏡。單層矯像差平面透鏡的主要優勢如下：1）通過融合兩層納米環結構，單層矯像差平面透鏡做到了波長厚度、毫米級口徑、全視場32°矯像差成像；2）單層矯像差平面透鏡通過雙光子3D打印加工，兼具可量產和可定制的特性；3）單層矯正像差，避免了雙層超透鏡的對準難題。該微型化平面透鏡在遠場成像和顯微成像領域有多種應用，圖2分別是單層矯像差平面透鏡的遠場成像和顯微成像效果圖。
該成果近期以“Single-layer aberration-compensated flat lens for robust wide-angle imaging”為題在線發表在《激光與光子學評論》(Laser & Photonics Reviews doi.org/10.1002/lpor.202000017)上。新加坡國立大學郝成龍博士、暨南大學高社城教授、深圳大學阮琦鋒博士為共同第1作者。新加坡國立大學仇成偉教授和中山大學李朝暉教授為論文的共同通訊作者。相關研究得到了新加坡CRP計劃和國家自然科學基金等的支持。
原文引自“兩江科技評論”公眾號。
上海復享光學股份有限公司（簡稱：復享光學）誕生于中國的高校實驗室，是一家高科技型光譜儀器公司。公司為科學家和工程師提供光譜產品、系統、服務。“讓光譜簡單"是公司發展理念，“光譜改變生活”是公司的愿景。
公司專注光譜儀器發展超過八年，于2016年登陸新三板（NEEQ:838781）。公司位于復旦大學科技創業園，目前擁有約40名高學歷工程師。