如何用寬帶消色差和偏振不敏感的超透鏡提高圖像質(zhì)量？

光的精確控制是光學(xué)成像、傳感和通信的關(guān)鍵要求。用于此目的的傳統(tǒng)鏡頭有局限性，需要更精確和緊湊的解決方案。為了滿足這一需求，研究人員開(kāi)發(fā)了超透鏡，這是一種由納米材料制成的超薄透鏡，其尺寸比光的波長(zhǎng)還小。這些亞波長(zhǎng)元件提供了以極高的精度操縱光波的手段，有助于精確控制光波的振幅、相位、偏振和方向。

此外，與體積龐大的透鏡相比，超透鏡更容易生產(chǎn)，是小型化和高度集成的光學(xué)器件的理想選擇。然而，亞波長(zhǎng)元件也使它們?nèi)菀资艿缴畹挠绊憽＿@是一種情況，當(dāng)光通過(guò)超透鏡時(shí)，每個(gè)波長(zhǎng)在與亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)相互作用時(shí)經(jīng)歷不同的相移。因此，各種顏色或波長(zhǎng)的光不會(huì)在同一點(diǎn)匯聚，從而導(dǎo)致焦點(diǎn)丟失和圖像質(zhì)量降低。

通過(guò)由相變材料組成的納米鰭NF1和NF2的正交或平行排列，將不同波長(zhǎng)的光聚焦在同一點(diǎn)上來(lái)減少色差的超鏡頭。

現(xiàn)在，在一項(xiàng)發(fā)表在《Advanced Photonics Nexus》上的新研究中，研究人員提出了一種新的方法來(lái)制造寬帶消色差和偏振不敏感的超透鏡(BAPIML)。他們的方法利用了光斑分辨率的瑞利準(zhǔn)則，這是光學(xué)中用于定義成像系統(tǒng)中最小可分辨細(xì)節(jié)的基本原理。

佛羅里達(dá)國(guó)際大學(xué)的期刊編輯Alex Krasnok教授指出：“報(bào)道的科學(xué)和技術(shù)進(jìn)步是值得注意的，因?yàn)樗鼈兲峁┝私鉀Q超表面色差的途徑，這是一個(gè)阻礙該領(lǐng)域進(jìn)展的挑戰(zhàn)?！?根據(jù)瑞利光斑分辨準(zhǔn)則，當(dāng)一個(gè)點(diǎn)源產(chǎn)生的衍射圖樣的中心落在另一個(gè)點(diǎn)源的衍射圖樣的第一個(gè)極小值上時(shí)，可以分辨出距離很近的點(diǎn)源。當(dāng)衍射圖樣接近這個(gè)極限時(shí)，這兩點(diǎn)就變得難以區(qū)分了。這一原理在望遠(yuǎn)鏡和顯微鏡的設(shè)計(jì)中發(fā)揮了重要作用，它們分別用于分辨天體和捕捉微小標(biāo)本的微小細(xì)節(jié)。在這項(xiàng)研究中，研究人員巧妙地應(yīng)用了這一概念，開(kāi)發(fā)了兩個(gè)互補(bǔ)的超透鏡，將亮點(diǎn)合并為一個(gè)聚焦的點(diǎn)。

他們使用由相變材料Ge2Sb2Se4Te1制成的納米片制造了這兩種超透鏡。這些納米片以相互正交或平行的方向排列，并設(shè)計(jì)成在通過(guò)它們的光中引入相移。其中一個(gè)納米鰭作為波長(zhǎng)為4μm的半波片，而另一個(gè)作為波長(zhǎng)為5μm的半波片。

當(dāng)光照射超透鏡時(shí)，會(huì)在不同位置產(chǎn)生兩個(gè)明顯的亮點(diǎn)。然而，通過(guò)仔細(xì)調(diào)整參數(shù)，如超透鏡的半徑和焦距，研究人員設(shè)法將亮點(diǎn)合并為一個(gè)聚焦點(diǎn)，效率高達(dá)43%。簡(jiǎn)單地說(shuō)，透鏡通過(guò)在同一點(diǎn)聚焦不同波長(zhǎng)的光來(lái)抵消色差。 最后，研究人員通過(guò)產(chǎn)生寬帶消色差和偏振不敏感聚焦光學(xué)渦旋來(lái)證明他們方法的多功能性。

Krasnok教授說(shuō)：“簡(jiǎn)而言之，這項(xiàng)工作意味著我們正在創(chuàng)造能夠更好地處理光線而不失真的鏡頭，并有可能改善各種光學(xué)應(yīng)用。” 這種開(kāi)發(fā)BAPIML的新方法為廣泛的改進(jìn)成像和光學(xué)應(yīng)用打開(kāi)了大門(mén)，包括分子傳感、生物成像、探測(cè)器和全息顯示。

審核編輯：劉清