一種基于超構(gòu)透鏡本征色散和多焦點(diǎn)特性的超構(gòu)表面光譜儀

導(dǎo)讀

近日，英國赫瑞瓦特大學(xué)的陳獻(xiàn)忠教授團(tuán)隊(duì)提出了一種基于多焦點(diǎn)超構(gòu)透鏡設(shè)計(jì)方案控制不同波長光束色散的新方法，在工作距離僅為300 μm的情況下，在波長為500 ~ 679 nm的可見光范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了納米級(jí)分辨率的光譜識(shí)別，為發(fā)展片上光譜儀提供了全新思路。

研究背景

色散現(xiàn)象廣泛存在于自然界中，通常是由材料的折射率隨入射光波長的變化而引起。在各種基礎(chǔ)研究和實(shí)際應(yīng)用中，如最先進(jìn)的顯微鏡、計(jì)量儀器、相機(jī)和光纖中的脈沖擴(kuò)展等，都不可避免的要考慮色散問題。一方面，色散的存在會(huì)導(dǎo)致復(fù)色光在傳輸過程中走離，致使在通訊中引起串?dāng)_使信號(hào)失真，或在成像過程中引入色差而降低了成像質(zhì)量；另一方面，色散在光譜學(xué)中同樣有著重要應(yīng)用，例如光譜分析儀需要色散增強(qiáng)來提高其分辨率。色散的消除與增強(qiáng)在許多基礎(chǔ)研究和工業(yè)應(yīng)用中都至關(guān)重要，如何精確控制色散是當(dāng)前熱點(diǎn)問題。

傳統(tǒng)的色散控制通常需要由多種不同材料制成的色散元件組合（如衍射光柵、透鏡、棱鏡等）來實(shí)現(xiàn)，每引入一種由不同材料制成的色散元件可為整個(gè)系統(tǒng)的色散控制提供更多的自由度。但是，在色散控制系統(tǒng)中引入越多的元件來控制色散，精確對(duì)準(zhǔn)的難度隨之增大，致使色散控制系統(tǒng)笨重且復(fù)雜，難以適應(yīng)當(dāng)前片上光子集成領(lǐng)域的需求。與傳統(tǒng)色散控制方法形成鮮明對(duì)比的是，由亞波長納米結(jié)構(gòu)組成的光學(xué)超構(gòu)表面通過結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)與排列方式的制定便可引入有效的色散來實(shí)現(xiàn)色散的控制與管理。而近年來納米制造技術(shù)的迅速發(fā)展使得超構(gòu)表面器件加工難題得到解決，并大幅提升了超構(gòu)表面的工作效率，超構(gòu)表面統(tǒng)一的高度輪廓也極大地減小了控制色散所需光學(xué)對(duì)準(zhǔn)的挑戰(zhàn)。

面向片上光子集成領(lǐng)域?qū)Ω叻直媛使庾V分析的迫切需求，超構(gòu)表面可具備的色散特性與超輕超薄的特性使其為發(fā)展片上光譜儀提供了全新思路。片上光譜儀在醫(yī)療、食品安全監(jiān)測(cè)以及片上實(shí)驗(yàn)室（Lab-on-a-chip）等領(lǐng)域也極具有應(yīng)用潛力，特別對(duì)于開發(fā)小型化、便攜式、可穿戴的智能傳感設(shè)備具有重要意義。鑒于此，英國赫瑞瓦特大學(xué)的陳獻(xiàn)忠團(tuán)隊(duì)提出了一種基于多焦點(diǎn)超構(gòu)透鏡設(shè)計(jì)方案控制不同波長光束色散的新方法，在工作距離僅為300 μm的情況下，在波長為500 ~ 679 nm的可見光范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了納米級(jí)分辨率的光譜識(shí)別。

研究創(chuàng)新

作者團(tuán)隊(duì)基于多焦點(diǎn)超構(gòu)透鏡模型，將波長信息包含進(jìn)超構(gòu)透鏡的相位輪廓中，設(shè)計(jì)了可將不同波長光束分離并匯聚在焦平面上預(yù)設(shè)位置的多焦點(diǎn)超構(gòu)透鏡，實(shí)現(xiàn)了光譜儀的功能。該超構(gòu)表面光譜儀的工作距離僅為300 μm（超構(gòu)透鏡的設(shè)計(jì)焦距），并在500 ~ 679 nm的可見光范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了納米級(jí)光譜分辨率。圖1顯示了超構(gòu)表面光譜儀的示意圖，入射復(fù)色光束的波長信息可被精確地映射到焦平面一個(gè)圓環(huán)上的不同位置。該圓環(huán)由多個(gè)不同波長焦點(diǎn)組成，每個(gè)焦點(diǎn)所在方位角對(duì)應(yīng)著一個(gè)入射波長。對(duì)于單色光入射，對(duì)應(yīng)波長焦點(diǎn)附近的鄰近波長焦點(diǎn)也會(huì)由于色散不足匯聚光束，但可通過最大強(qiáng)度亮點(diǎn)所在位置準(zhǔn)確識(shí)別入射波長。在復(fù)色光入射下，通過分析圓環(huán)上歸一化強(qiáng)度的分布，可以獲得組成復(fù)色光束的各個(gè)中心波長。

圖1 基于多焦點(diǎn)超構(gòu)透鏡的超構(gòu)表面光譜儀示意圖

圖2展示了在510 nm、581 nm和633 nm波長組成的復(fù)色光入射下超構(gòu)表面光譜儀焦平面上的強(qiáng)度分布與光譜分析結(jié)果。強(qiáng)度分布的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致。通過分析焦點(diǎn)圓環(huán)上補(bǔ)償不同波長視見函數(shù)后的強(qiáng)度分布，可獲得相對(duì)誤差小于0.5 %的復(fù)色光中心波長識(shí)別結(jié)果。此外，在單色光和復(fù)色光入射下，超構(gòu)表面光譜儀都可實(shí)現(xiàn)1 nm的高分辨率波長檢測(cè)。

圖2 510 nm、581 nm和633 nm波長組成的復(fù)色光束入射下超構(gòu)表面光譜儀焦平面上的強(qiáng)度分布與光譜分析結(jié)果

所提出的光譜儀不僅可以準(zhǔn)確檢測(cè)入射光的中心波長，還具備識(shí)別光譜線寬的可能。作者團(tuán)隊(duì)提出以線寬極窄的單頻光束入射獲得的強(qiáng)度分布為基準(zhǔn)，標(biāo)定不同線寬光譜產(chǎn)生的強(qiáng)度差異來識(shí)別待測(cè)光譜的線寬。此外，加工更大尺寸的超構(gòu)表面可使提出的光譜儀實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的線寬檢測(cè)甚至是連續(xù)光譜的識(shí)別。圖3展示了更大尺寸的超構(gòu)表面光譜儀對(duì)不同線寬的高斯譜形的識(shí)別情況，理論上完全可以做到精準(zhǔn)識(shí)別光譜線寬。另外，加工更大尺寸的超構(gòu)表面還有助于提高超構(gòu)表面光譜儀的分辨率和工作帶寬。

超構(gòu)表面光譜儀對(duì)光譜線寬的檢測(cè)

總結(jié)與展望

該研究設(shè)計(jì)并實(shí)驗(yàn)證明了一種基于超構(gòu)透鏡本征色散和多焦點(diǎn)特性的超構(gòu)表面光譜儀。在這項(xiàng)工作中，每個(gè)焦點(diǎn)匯聚波長的獨(dú)立設(shè)計(jì)為光譜儀色散控制提供了新的自由度。所提出的超構(gòu)表面光譜儀，在可見光范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了納米級(jí)的光譜分辨率。設(shè)計(jì)方法靈活穩(wěn)健，為控制多色光入射的期望色散提供了一種新的方案。該設(shè)計(jì)有望促進(jìn)片上光譜分析、信息安全和信息處理等諸多應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展。

審核編輯：劉清