季華微納制造團隊在Light: Science & Applications發(fā)表文章

近日，季華實驗室微納制造技術(shù)研究團隊（簡稱“微納制造團隊”）聯(lián)合湖南大學(xué)等機構(gòu)，以季華實驗室為第一完成單位在光學(xué)與光子學(xué)領(lǐng)域國際頂級期刊Light: Science & Applications 上發(fā)表題為"Dielectric Metalens for Miniaturized Imaging Systems: Progress and Challenges"的綜述文章，論述了超構(gòu)透鏡在微型化成像系統(tǒng)中的研究進展和面臨的挑戰(zhàn)。

△潘美妍博士等科研人員以季華實驗室為第一單位在Light: Science & Applications發(fā)表綜述文章

Light: Science & Applications是Nature集團合作出版的國際學(xué)術(shù)期刊，期刊內(nèi)容包括光學(xué)與光子學(xué)的基礎(chǔ)研究以及工程和應(yīng)用基礎(chǔ)領(lǐng)域的相關(guān)議題，最新影響因子20.257，在JCR和中科院期刊分區(qū)均為一區(qū)，其谷歌學(xué)術(shù)期刊指數(shù)位列“光學(xué)與光子學(xué)”期刊第二名。

隨著消費電子、工業(yè)、醫(yī)療和汽車市場對微型化、輕量化成像系統(tǒng)的需求日益增多，如何研制尺寸更小的光學(xué)透鏡成了亟待解決的問題。盡管通過自由曲面和微納制造技術(shù)已經(jīng)可以實現(xiàn)更薄、更輕的折射透鏡，但是由于傳統(tǒng)透鏡對光波的調(diào)控能力依賴于其界面折射效應(yīng)和透鏡材料中的傳播相位積累，進一步縮小其厚度極具困難。此外，為了獲得高成像質(zhì)量，通常需要級聯(lián)透鏡，不僅導(dǎo)致系統(tǒng)難以壓縮，透鏡之間的精確對準(zhǔn)也面臨困難。

△看似簡單小巧的手機鏡頭實際上包含了復(fù)雜的光學(xué)結(jié)構(gòu)|2018年蘋果發(fā)布會

作為替代方案，基于超構(gòu)表面的平面超構(gòu)透鏡可以克服大多數(shù)現(xiàn)有挑戰(zhàn)。超構(gòu)透鏡是實現(xiàn)透鏡成像功能的超構(gòu)表面（又稱“超表面”）。它基于亞波長的人工結(jié)構(gòu)單元對入射光的相位等參量進行局域調(diào)控，從而構(gòu)建聚焦波面對應(yīng)的相位分布，最終實現(xiàn)透鏡聚焦或成像的功能。與傳統(tǒng)光學(xué)透鏡相比，超構(gòu)透鏡是平面結(jié)構(gòu)，具備超輕超?。ㄎ⒚?亞微米厚度）等特征，有望實現(xiàn)高度集成的成像系統(tǒng)。

△超構(gòu)透鏡和傳統(tǒng)商業(yè)鏡頭對比示意圖|普林斯頓計算成像實驗室 Princeton Computational Imaging Lab, https://light.princeton.edu/

為推動超構(gòu)透鏡在超緊湊成像設(shè)備中的進一步發(fā)展，季華實驗室微納制造團隊潘美妍博士等科研人員發(fā)表長文綜述，突出介紹了全介質(zhì)超構(gòu)透鏡在微型成像系統(tǒng)中的研究進展，并強調(diào)了其未來發(fā)展所面臨的挑戰(zhàn)。

△論文內(nèi)容概覽：全介質(zhì)超構(gòu)透鏡在微型成像系統(tǒng)中的優(yōu)勢及其進一步發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)

該論文首先闡明了介質(zhì)超構(gòu)透鏡背后的基礎(chǔ)物理知識，然后討論了介質(zhì)超構(gòu)透鏡的顯著優(yōu)勢并介紹其最新研究成果，包括:（1）超構(gòu)透鏡強大的像差矯正性能（大數(shù)值孔徑和大視場角情況下的消像差成像、基于超構(gòu)表面色散調(diào)控能力的寬帶消色差成像）；（2）超構(gòu)透鏡的多功能復(fù)用性能（單個透鏡實現(xiàn)偏振成像、變焦鏡頭、三維成像等應(yīng)用）；（3）CMOS兼容制備工藝（精密對準(zhǔn)、芯片集成等優(yōu)勢）。同時，分析了目前技術(shù)在進一步提升各項優(yōu)勢性能方面所面臨的問題和阻礙。

△超構(gòu)透鏡的顯著優(yōu)勢。（a）單個傳統(tǒng)球面鏡的成像存在球差、彗差、場曲、像散等像差；單片超構(gòu)透鏡可實現(xiàn)圖例所示消像差成像；（b）消色差超構(gòu)透鏡；（c）基于超構(gòu)透鏡的偏振成像研究示例；（d）超構(gòu)透鏡與CMOS的集成示例

圖源：(b) https://spie.org/news/broadband-achromatic-metalens; (c) Appl. Phys. Lett. 114, 161904 (2019); (d) Advanced Photonics, 2(6), 066004 (2020).

論文還強調(diào)了介質(zhì)超構(gòu)透鏡發(fā)展未來集成光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)用面臨的難題，并結(jié)合前沿進展提供了可能的解決方法。文章指出：（1）超構(gòu)透鏡的常規(guī)設(shè)計方法存在相位離散和制造約束等因素帶來的局限性，實現(xiàn)大孔徑、大視場、大寬帶和高效率的超構(gòu)透鏡仍有難度；（2）隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，高性能超構(gòu)透鏡的智能設(shè)計已呈快速發(fā)展之勢，但還應(yīng)通過進一步優(yōu)化設(shè)計原理實現(xiàn)高性能高效率設(shè)計；（3）先進數(shù)據(jù)處理算法、發(fā)展步進式光刻和納米壓印技術(shù)有望解決大面積超構(gòu)透鏡的高效率制備生產(chǎn)這一難題；（4）超構(gòu)透鏡-傳感器封裝模塊已初見雛形，但芯片集成的超構(gòu)透鏡制備與封裝技術(shù)仍需進一步發(fā)展。

最后，文章基于上述討論列舉了幾個可深入探究的研究方向，涵蓋超構(gòu)透鏡設(shè)計和制備的新原理、新技術(shù)、新應(yīng)用等方面。相信未來研究人員針對文章中論述的難題和挑戰(zhàn)努力優(yōu)化設(shè)計原理，提升透鏡加工技術(shù)，將能明顯提升超構(gòu)透鏡的成像性能，實現(xiàn)更輕薄更緊湊的光學(xué)成像系統(tǒng)，從而在消費電子、新型顯示、智能駕駛、醫(yī)療裝備、光學(xué)計算、基礎(chǔ)科研等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

△超構(gòu)透鏡在各領(lǐng)域的應(yīng)用示例。（a）穿戴式顯示；（b）微粒捕獲；（c）全息顯示

圖源：(a) https://www.rochester.edu/newscenter/a-new-way-to-make-ar-vr-glasses-476742/; (b) Plidschun et al. Light: Science & Applications (2021) 10:57; (c) Hu et al. Light: Science & Applications (2019) 8:86

論文信息：Pan MY., Fu YF., Zheng MJ., et al. Dielectric Metalens for Miniaturized Imaging Systems: Progress and Challenges. Light Sci. Appl. 11, 195 (2022).

論文地址：https://www.nature.com/articles/s41377-022-00885-7

該成果還得到了Light: Science & Applications公眾號、中國光學(xué)公眾號、兩江科技評論公眾號等科技新媒體的大力宣傳。

團隊簡介

季華實驗室微納制造團隊面向先進光學(xué)、光電子學(xué)、微電子學(xué)等領(lǐng)域，發(fā)展高精度微納米器件及裝備的小規(guī)模定制和大批量生產(chǎn)新原理、新工藝、新技術(shù)、新體系。微納光學(xué)是團隊部署的重點研究方向之一，主要探索新型微納光學(xué)元件在激光加工、多信息成像、新型顯示等行業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。研究團隊已在極端微納制造及微納光學(xué)研究領(lǐng)域取得了系列階段性成果，承擔(dān)及參與國家重大專項、國家自然科學(xué)基金等項目十余項，已開發(fā)亞10 nm尺度電子束光刻和跨尺度微納制造工藝，發(fā)展多功能微納光學(xué)元件設(shè)計體系，并實現(xiàn)多類平面光學(xué)元件的原型展示及裝備樣機應(yīng)用。

來源：Light: Science & Applications期刊