天河二号助力超构光学透镜最大数值孔径记录取得新突破

编者按：

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中山大学物理学院及光电材料与技术国家重点实验室李俊韬副教授、梁浩文副研究员、周建英教授等人所在的极限尺度光场调控团队，借助“天河二号”强大的计算能力，以混合自适应人工智能优化程序设计出亚波长单晶硅超构表面结构，在实验基础上实现了NA=1.48的超高数值孔径，为迄今报道可见光范围内的数值孔径最高值。该项目相关研究成果发表在Nano Letters, 18 (7), 4460-4466, 2018（《纳米快报》，IF=12.080），成功入选“美国光学学会2018年度光学界30项重要进展”，并进入“2018中国光学十大进展”候选推荐名单。

数值孔径是光学透镜最重要的基本参量，衡量着光学系统的收集光子能力。对于显微物镜，数值孔径越大，成像光斑越小，成像细节越清晰。常规油浸物镜由于采用了特殊的高折射率匹配液，在高分辨率成像中更被广泛应用。一直以来，各国科学家为增加透镜的数值孔径争相努力，不断取得新的重要进展。另一方面，超构表面结构是一种具有横向亚波长尺度的微纳光学结构，可以在不到一个光学波长的薄膜结构层上实现全2π相位的精确控制，从而实现对光波、电磁波相位、偏振方式、传播模式等特性的灵活有效调控。基于该结构的平面超构光学透镜有望在百纳米厚度的微纳结构上实现超大数值孔径显微物镜，从而有望克服传统光学玻璃物镜加工难度大、显微物镜多透镜系统体积大等缺点。

李俊韬副教授、梁浩文副研究员、周建英教授等科研工作者以混合自适应人工智能优化程序设计出亚波长单晶硅超构表面结构，实现了相位的精确控制并减小了单晶硅结构在可见光的吸收。进一步，使用该结构演示了松柏油浸没下数值孔径为1.48的高透过率超构光学透镜。该项目相关研究成果以“Ultrahigh Numerical Aperture Metalens at Visible Wavelengths” 为题发表在Nano Letters, 18(7), 4460-4466, 2018。刊物审稿人一致认定，该光学透镜的数值孔径为超构光学透镜中现有报道的最高记录。

本研究中设计纳米单元几何设计及超构透镜聚焦性能的FDTD数值模拟工作均利用“天河二号”进行模拟计算。相对于自有平台，“天河二号”不仅支持大规模并行计算，还可自由设定节点数和计算核数，可针对具体模拟对象自行有效分配资源，大大提高了计算效率。以大面积超构透镜聚焦性能模拟为例，自有平台预估计算180小时的模型，利用“天河二号”仅需30小时即能完成计算。

--李俊韬副教授

下一步，该团队拟将超构光学透镜应用于共聚焦激光扫描成像系统，从而研制出可集成、非侵入、无需荧光标定的超越衍射极限的超分辨光学系统。

近年来，新材料的研发和设计水平不断提高，取得多项突破，这离不开超算发挥的巨大推动作用。借助“天河二号”强大的计算能力，通过量子力学、分子动力学、有限元和有限体积/差分等模拟软件与工具，可以实现从微观尺度到宏观进行多尺度模拟仿真，极大地提高了新材料的研发效率。不仅如此，国家超算广州中心还推出自主研发的天河星光超算应用平台，可对模拟结果进行实时可视化，可对计算过程进行有效控制，实现新材料研发全生命周期设计与管理，为实现关键战略材料国产化提供重要保障。

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来源：国家超级计算广州中心

鸣谢：物理学院

编辑：李牧瑶

责任编辑：裴欣怡

初审：李劲峰

审核：陈诗诗

审定发布：漆小萍

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