进展 | 主动变焦超透镜研究取得进展

N10 中科院物理所

超透镜是实现透镜成像功能的光学超表面，它基于亚波长的人工结构单元对入射光的相位与振幅等参量进行调控，实现透镜聚焦或成像的功能。超透镜具有超轻超薄的平面结构，可以组成高集成度的成像系统，有望替代传统光学系统中繁琐的透镜组。但利用超透镜实现可见光波段的主动变焦成像仍面临挑战。

图1. 主动变焦超透镜的功能示意图

光子轨道角动量（OAM）是一种新颖的光场调控维度，携带OAM的涡旋光束具有螺旋型相位波前，中心相位存在奇点，同时不同拓扑荷之间保持本征正交无串扰的物理属性，为主动调控提供全新的技术手段，在微粒操控、超分辨显微成像、大容量光通信等领域应用前景广阔。

图2.主动变焦超透镜在532nm处的聚焦光斑强度、半径及景深

近期，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心微加工实验室的李俊杰研究组和纳米物理与器件实验室的顾长志研究组（N10）一起，提出了一种基于轨道角动量(OAM)的多波段选择解码方法，通过全介质TiO2超表面结构的独特设计，实现了可见光频段多路复用的主动变焦超透镜。他们设计了具有面内C2旋转对称性和螺旋排布的TiO₂高深宽比纳米鳍阵列结构，成功实现了较高转极化率的圆偏振光调制，同时利用附加的Pancharatnam Berry (PB)相位实现了2π范围的有效螺旋相位调控（图1）。超透镜中包含了四个OAM通道，对应四个焦距深度的聚焦。当入射光携带的OAM拓扑荷数l与超透镜中通道设计的螺旋相位模式l’互为相反数时（l=l’），该通道获得解码。因此，四种OAM入射可以实现超透镜在四个焦距位置上的聚焦，通过切换入射光携带OAM的模式即可实现主动切换焦距的功能，在532 nm处获得了5-35 mm的四个焦点（图2）。这种主动变焦的超透镜显示出在非机械转换成像和三维成像等领域具有重要应用潜力。该研究成果以“Active Multiband Varifocal Metalenses Based on Orbital Angular Momentum Division Multiplexing”为题，于2022年07月25日在线发表在《Nature Communications》上。N10组的博士研究生郑睿瑄为第一作者，顾长志和李俊杰为通讯作者，北京理工大学的黄玲玲教授和蒋强博士在测试方面提供了支持。

该研究得到了科技部、国家自然科学基金委员会、中国科学院和北京市科委的项目资助。

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编辑：荔枝果冻

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