中山大學(xué)物理學(xué)院、光電材料與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室王雪華教授、李俊韜教授和梁浩文副教授研究團(tuán)隊(duì)最近提出將相位色散調(diào)控能力有限的超構(gòu)原子區(qū)分復(fù)用地制備到臺階相位色散補(bǔ)償層上，實(shí)現(xiàn)了同時具有高數(shù)值孔徑、大口徑尺寸和寬帶消色差的“高大寬”消色差平面透鏡，突破了消色差平面透鏡“高大寬”不可兼得的長期困境。相關(guān)研究成果以“High-Performance Achromatic Flat Lens by Multiplexing Meta-Atoms on a Stepwise Phase Dispersion Compensation Layer”為題于2025年3月5日發(fā)表在國際光學(xué)頂級期刊《Light: Science & Applications》上。
 

圖1：“高大寬”消色差平面透鏡的物理設(shè)計、器件特征、聚焦性能及成像性能
 

　　1609年伽利略利用望遠(yuǎn)鏡(透鏡組)開啟了人類觀察觀測宇宙的新紀(jì)元，然而光學(xué)固有的偏折色散導(dǎo)致觀測目標(biāo)成像呈現(xiàn)色差彩虹效應(yīng)。為消除色差效應(yīng)，1729年，霍爾發(fā)明了一件光學(xué)“神器”—消色差透鏡，開啟了消色差透鏡近300年的研發(fā)歷程。現(xiàn)代信息化技術(shù)要求發(fā)展小型化、集成化和輕薄化的新型消色平面差透鏡。亞波長尺度人工超構(gòu)原子具有一定的相位色散調(diào)控能力，利用這種特性可以令有序排列的超構(gòu)原子實(shí)現(xiàn)消色差聚焦和成像，從而設(shè)計出消色差平面透鏡。然而，這些超構(gòu)原子調(diào)控相位色散的能力有限，限制了消色差平面透鏡的性能，導(dǎo)致消色差平面透鏡無法同時實(shí)現(xiàn)高數(shù)值孔徑、大口徑尺寸及寬帶消色差。為突破 “高大寬”不可兼得的長期固有困境，科學(xué)家們提出過許多解決方法，但這些方法都未能從根本上解決這一難題。
 

　　為此，王雪華研究團(tuán)隊(duì)提出一種全新的超構(gòu)原子區(qū)分復(fù)用方法：利用臺階相位色散補(bǔ)償層將平面透鏡分成傳播相位階梯變化的不同區(qū)域，從而實(shí)現(xiàn)超構(gòu)原子相位色散有限調(diào)控的區(qū)分復(fù)用。原理上，這種復(fù)用可以不斷重復(fù)下去，從根本上解決了消色差平面透鏡固有的“高大寬”不可兼得的長期困境。該研究為消色差平面透鏡在光子集成芯片，生物醫(yī)學(xué)成像、人工智能、自動駕駛、機(jī)器視覺等新興領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用掃清了障礙。
 

　　中山大學(xué)為該成果的第一署名單位，中山大學(xué)物理學(xué)院博士研究生林錦根和陳進(jìn)北為論文共同第一作者，王雪華教授、李俊韜教授與梁浩文副教授為論文共同通訊作者。該工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、廣東省重點(diǎn)領(lǐng)域研發(fā)計劃項(xiàng)目等的大力支持。