Sci. Adv. | 高数值孔径3D消色差超透镜

最近各类超构透镜研究取得的进展展现了其实现卓越成像性能的巨大潜力，特别是消色差透镜的宽带响应能力，使其能够捕捉彩色信息，避免了宽带成像造成的色差。这些研究在光场成像、生物分析、医学、半导体和量子技术等领域都展现出了广阔的应用前景。

然而，大多数超构透镜使用的高折射率材料虽然具有良好的光调控能力，但材料的高度色散使得宽带响应成为挑战。传统的基于单透镜的折射光学和衍射光学的设计通常会产生色差。单层多级衍射透镜和超构透镜虽然实现了消色差，但却以减小NA为代价。因为对于给定的透镜半径，带宽和NA之间存在相互制约（Light: Science & Applications, 2018, 7(1): 85.）。在传统的折射透镜中，人们通常使用透镜组来减少色差，例如使用两种阿贝数不同的材料和几何设计来补偿色散响应。为了突破单层超构透镜设计时遇到的带宽和NA相互制约所带来的约束（Applied Physics Letters, 2021, 118(4).），人们提出了多层超构透镜的设计以引入额外的自由度，通过多层波前操纵以及层间的相互作用增强光操纵能力，并借助低折射率材料的低色散特性提高消色差透镜的整体效率。

由于高分辨率制备的需求，电子束光刻是被广泛用于制造包括可见光波段超构透镜在内的纳米尺度元器件的主要制备方式。然而，使用电子束光刻制造多层和可变高度结构十分困难，因为它需要复杂的对齐校准和多步骤制造过程。此研究工作使用了高精度双光子3D打印技术，该技术既具备亚波长高精度结构的加工能力，同时也仅需单次制备即可实现几乎任意复杂3D结构，而低成本透明树脂IP-Dip（阿贝数~35.2，可见光波段）的采用也契合设计对低色散材料的需求，因此一次性解决了设计和制造消色差超构透镜面临的前述问题，如图1所示。

图3：多层MAM的实验制备优化。(A) 不同程度的边缘倒角和表面平滑度近似的示意图，初始设计 (i)，一级平滑 (ii)，二级平滑 (iii)，三级平滑 (iv)。(B) 计算（A）中不同结构的焦点处在不同波长下的半高宽 (i)、效率 (ii) 和沿传播轴 (iii) 的最大焦点强度位置。(C) 数值孔径为 0.5 的超构透镜的SEM 图像：(i) 解构的 MAM 分别显示单层、双层和三层；(ii) 完整放大视图；(iii)俯视图；(iv 和 v) 剖面图。

图4 ：（A）0.5 NA多层消色差超构透镜光学实验表征和模拟对比。（B）光学成像（白光和RGB单色光源）。

Cheng-Feng Pan, Hao Wang*, Hongtao Wang, Parvathi Nair S, Qifeng Ruan, Simon Wredh, Yujie Ke, John You En Chan, Wang Zhang, Cheng-Wei Qiu, Joel K. W. Yang*, “3D-printed multilayer structures for high–numerical aperture achromatic metalenses”, Sci. Adv. 9, eadj9262(2023).

https://doi.org/10.1126/sciadv.adj9262