单层硅超构透镜实现宽带消色差聚焦和宽视场，赋能下一代近红外波束操控
2025-12-14 10:13:49   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

同时实现宽带消色差聚焦和宽视场工作仍是当前超构透镜（metalens）所面临的一项重要挑战。

据麦姆斯咨询报道，近日，巴黎萨克雷大学-法国国家科学研究中心的研究团队以二次相位分布为基础，实现了全视场超构透镜设计，并通过色散工程最小化不同波长下的焦距变化，从而显著降低纵向与横向色差。该设计方案仅利用单层波导式矩形超构原子（meta-atom）的传播相位（propagation phase），而不依赖几何相位（geometric phase）的贡献。所制备的超构透镜通过实验演示了86°的视场角，与传统的二次相位超构透镜相比，其焦距随波长变化幅度减小了10倍，在1.5-1.6 μm波段测得相对偏移率低至1.3%。该改进的设计方案还可使目标波长范围内的聚焦效率保持恒定，而参考二次相位超构透镜在此区间的效率几乎减半。这些实验结果验证了所提出的设计策略在同时提升超构透镜工作带宽与视场方面的有效性。所展示的性能可直接惠及近红外（NIR）波段的波束操控应用，并为在可见光成像系统中实现消色差、宽视场超构透镜提供了可行路径。上述研究成果以“Single-layer silicon metalens for broadband achromatic focusing and wide field of view”为题发表于Scientific Reports期刊。

在超构透镜的设计中，研究团队采用了如图1a所示的结构：将厚度为700 nm的矩形硅（Si）柱置于二氧化硅（SiO₂）衬底上。利用严格耦合波分析（RCWA）对超构原子的响应进行模拟，并假设其结构在局域上是周期性的。同时，假设入射光为TE偏振。通过将硅柱的尺寸D1和D2从150 nm扫描到500 nm，同时将超构原子周期固定在650 nm，建立了一个可用的超构原子库。

图1 消色差和宽视场超构透镜设计

针对1.5-1.6 µm波段内的五个不同波长，研究人员计算了每种超构原子形状对垂直于硅柱传播的平面波的相位延迟和透射效率。图2显示了在λ = 1.5 µm、λ = 1.55 µm和λ = 1.6 µm条件下，相位延迟与透射效率随D1与D2变化的模拟结果。大多数超构原子的效率超过50%，同时在整个波长范围内，其相位延迟均能覆盖所需的2π范围。

图2 超构原子的相位延迟与透射效率

超构透镜的设计基于两个目标，如图1b所示。首先，来自不同入射角的光需要以固定的焦距聚焦在同一焦平面上（即实现宽视场）。同时，在1.5 µm–1.6 µm波长范围内，不同波长的光也需要聚焦到相同的焦点位置，而该焦点的位置由入射角决定（即实现低纵向与横向色差）。研究人员选择以一种二次相位分布作为设计的起点，这种相位分布已被证明能够实现覆盖180°视场的聚焦。

为补偿色差，针对超构透镜的每个位置，研究人员从超构原子库中选取了能最小化目标相位延迟与超构原子实际相位延迟之间差异的单元，并对1.5 µm–1.6 µm波段内的五个波长进行平均处理。

该设计方法使得在超构透镜的每个位置都能够放置一种超构原子，其相位延迟及色散特性在所考虑的波长范围内与目标相位分布实现尽可能最佳的匹配，从而保证焦距恒定。尽管设计仅在五个离散波长点上进行优化，但这已足以在连续的1.5 µm–1.6 µm波长范围内实现对相位分布的可靠匹配。研究人员将采用该方法设计的超构透镜称为宽带设计。作为对比参考，研究人员还设计了一种仅在单一波长下工作的常规宽视场超构透镜，其设计方式是仅在λ = 1.55 µm处将超构透镜的相位分布与目标二次相位进行匹配，将其称为单波长设计。

超构透镜采用电子束光刻以及RIE–ICP刻蚀工艺制备。图 3a-3c 展示了所制备器件的光学显微镜与扫描电子显微镜图像。对于宽带设计和参考的单波长设计，研究人员均制备了多种超构透镜，其数值孔径（NA）分别为0.74、0.8和0.86，且焦距固定为90 µm。图3d所示实验装置用于表征所制备超构透镜的焦斑、视场以及焦距。

图3 所制备的超构透镜和实验设置

图4展示了数值孔径NA = 0.8、焦距f = 90 µm的超构透镜在1.5–1.6 µm波段的三个不同波长及三个不同入射角下的焦斑表征结果。如设计部分所预期并讨论的那样，当入射光束在x–z平面中倾斜时，宽带与单波长超构透镜都表现出沿x方向的横向偏移。宽带超构透镜的视场范围受限于±43°，超过该角度后焦斑明显退化。沿x轴测量的焦斑半峰全宽（FWHM）在入射角接近43°之前几乎保持不变（1.61 µm–1.94 µm）。宽带超构透镜的聚焦性能在43°（FWHM = 8.07 µm）时急剧下降，超过此角度后，将无法再观察到焦斑。相反，单波长超构透镜如预期那样表现出接近±90°的几乎完整的视场，并且离轴像差极小。然而，在所考虑的波长范围内，单波长超构透镜呈现明显的色差，其焦距随波长变化在所有入射角下均十分显著。相比之下，宽带超构透镜在相同波长范围与所有倾斜角度条件下，其焦斑漂移大幅减小。

图4 超构透镜聚焦性能实验表征

最后，研究人员对单波长与宽带超构透镜的聚焦效率和透射效率进行了表征，同样考虑NA = 0.8、f = 90 µm，在法向入射条件下并覆盖所考察的100 nm带宽范围。聚焦效率随波长变化的表征结果如图5a所示。透射效率对应结果如图5b所示。宽带设计（红色虚线）表现出几乎与波长无关的聚焦效率。在1.5–1.6 µm范围内，其聚焦效率在19.1%到20.9%之间变化。相比之下，在同一范围内，单波长超构透镜的聚焦效率从14.1%降至8.3%（蓝色虚线），下降近一倍。两种设计在透射效率方面的差异较小：宽带设计在49.0%到53.7%之间变化，而单波长设计在45.7%到53.7%之间变化。

图5 超构透镜聚焦效率和透射效率实验表征

综上所述，这项研究提出了一种具有宽带消色差特性并具备宽视场的单层超构透镜。通过利用具有不同波长相关相位延迟的波导式硅超构原子库，研究人员成功实现了对二次相位分布的色散工程。与以往依赖于双超构透镜设计、多层超构原子或几何相位与传播相位混合方法的方案相比，本研究工作取得了显著进展。在1.5 µm–1.6 µm的带宽范围内进行的实验表征显示，所提出的超构透镜在视场达到±43°时仍能保持良好聚焦，并实现了低至1.3%的相对焦距漂移——相比参考的传统二次超构透镜减少了一个数量级。由于色差显著降低，在所考虑的波长范围内其聚焦效率也几乎保持恒定。

本研究所展示的宽带消色差与宽视场工作性能的结合，是通过一种与标准纳米制造工艺完全兼容的单层设计策略实现的，为将超构透镜集成到光子系统中提供了一种实用且可扩展的替代方案，可有效取代复杂的多层架构，尤其适用于近红外波段的波束操控应用，同时也为在可见光成像系统中实现宽带、宽视场超构透镜提供了一条有前景的途径。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41598-025-27208-1

延伸阅读：

《超构透镜（Metalens）专利态势分析-2024版》

《光学和射频领域的超构材料和超构表面-2024版》

《光学和射频应用的超构材料-2024版》

《汽车激光雷达专利全景分析-2025版》