高性能消色差平面透镜：突破高数值孔径与大孔径宽带成像的瓶颈

为解决高数值孔径（NA）、大孔径尺寸与宽带消色差性能难以同时实现的难题，研究人员开发了一种基于阶跃相位色散补偿（SPDC）层的平面透镜新策略。该研究通过将超原子（meta-atoms）与SPDC基底结合，显著提升了相位色散调控能力，实现了NA高达0.9、孔径20.1 μm、带宽350 nm的高性能消色差聚焦与成像，为超紧凑光学系统的发展提供了重要突破。

　　

在光学成像技术发展的漫长历程中，消色差透镜自172年由Chester Moor Hall发明以来，一直是光学设计的核心课题。随着现代信息技术对微型化、超紧凑、轻量化光学系统的需求日益增长，传统透镜的体积和重量已成为技术发展的瓶颈。超表面（metasurface）的出现为平面光学元件带来了革命性的可能。通过亚波长尺度的超原子（meta-atoms）结构，研究人员能够实现对光波相位的精确调控，从而设计出超薄消色差平面透镜（achromatic flat lenses）。然而，尽管已有多种方案被提出——如增强单个超原子的色散调控能力、采用渐近拟合方法、设计多级衍射透镜或混合多层结构——但始终未能突破一个关键瓶颈：如何在保持宽带消色差性能的同时，实现高数值孔径（NA）和大孔径尺寸。这一难题限制了超表面透镜在高分辨率成像和大视场应用中的实用性。

在这一背景下，中山大学王雪华教授团队提出了一项创新性的解决方案。他们设计了一种阶跃相位色散补偿（Stepwise Phase Dispersion Compensation, SPDC）层作为基底，将超原子排列其上，通过调节SPDC层的环状结构厚度差，实现了任意所需的径向相位变化。这一方法有效补偿了宽光谱范围内超原子的相位色散，突破了超原子库相位调控能力的限制。研究结果以论文形式发表于《Light-Science》。

该研究主要采用了以下关键技术方法：基于有限时域差分（FDTD）方法进行透镜设计的数值仿真；利用微纳加工技术制备SPDC层与超原子集成的平面透镜结构；通过高数值孔径显微系统测量点扩散函数（PSF），并结合Richards-Wolf矢量衍射理论进行模拟验证；通过重复复用超原子单元实现大孔径尺寸透镜的制备。

研究团队通过对比实验验证了SPDC层的有效性。结果显示，在超原子库最大相位色散仅为2.2π的条件下，传统消色差超透镜（metalens）在350 nm带宽内仅能实现NA=0.56、半径6.6 μm的聚焦性能。而引入SPDC层后，在相同带宽和焦距下，透镜的NA提升至0.9，半径扩大至20.1 μm。若要仅靠超原子实现同等性能，其相位色散调控范围需提高六倍，这在当前技术下极具挑战性。

进一步地，研究团队通过PSF测量和仿真对比，证实了该透镜在宽光谱范围内可实现近衍射极限成像。超原子单元的可重复复用特性使得大孔径尺寸的消色差平面透镜成为可能。作者指出，未来可通过量化像差系数（aberration coefficients）进一步评估透镜成像质量，这一指标在当前超透镜研究中尚较少被采用，但对透镜性能的评价具有重要意义。

研究结论表明，基于SPDC层的消色差平面透镜设计策略成功解决了高NA、大孔径和宽带消色差性能之间的权衡问题，为高性能平面光学元件的发展提供了新的技术路径。这一突破不仅推动了超表面成像技术的实用化进程，也为微型化光学系统在医疗影像、移动设备和无人系统等领域的应用奠定了坚实基础。