​专题亮点 | 紧凑型光谱分离多焦点超透镜

为及时和全面反映光信息加密及存储技术的最新发展趋势，《中国激光》于2023年第18期出版“多维光信息加密及存储技术”专题。（点击查看专题网页）专题亮点文章（二）来源于华中科技大学武汉光电国家研究中心熊伟教授、高辉副教授研究团队。文章提出了一种基于平面光学器件超透镜的光谱分离技术，该技术将推动小型化光谱分离成像器件的进一步发展。（点击查看原文）王星儿, 许可, 范旭浩, 刘耘呈, 余轩, 高辉, 熊伟. 基于选择性光谱响应结构的横向色散多焦点超透镜[J]. 中国激光, 2023, 50(18): 1813014.

研究背景

光谱信息是物质最本质的特征之一，通过对其探测分析可以获取物质的成分、密度、形状等多维度信息。基于此，同时结合成像装置，光谱分离成像技术应运而生，可同时获取被探测物体的光谱信息和空间位置信息，广泛应用于地球科学、环境监测、智慧农业、生物医学等领域。

虽然光谱分离成像系统已经得到了广泛研究，并形成了多种方案，但是现有光谱分离成像系统仍存在体积庞大、操作繁琐的缺点，集成化、小型化是光谱分离成像系统的重要发展趋势之一。

创新研究

华中科技大学武汉光电国家研究中心熊伟教授、高辉副教授研究团队针对现有光谱分离成像系统存在体积庞大等问题，创新性地提出了一种基于选择性光谱响应结构的横向色散多焦点超透镜（图1）。基于单片器件即可收集不同位置的光谱信息，简化了获取光学信息的过程，推动了小型化光谱分离成像器件的进一步发展。

图1 横向色散多焦点超透镜的设计概念

设计原理如图2所示。首先，团队采用几何相位调制原理，设计了三组分别对Red、Blue、Green（RGB）波段圆偏振光独立响应的单元结构，所设计的选择性光谱响应结构具有波长解耦、相位调制深度大的特点。其次，利用横向色散机理计算对应于RGB波段所需要的聚焦相位。最后，通过随机矩阵编码方法将三组单元结构与三种聚焦相位一一结合，这种共享孔径设计思路可以有效避免高级次衍射效应。

图2 横向色散多焦点超透镜的设计原理。(a) 几何相位单元结构；(b) RectB、RectG、RectR结构参数；(c) RectB、RectG、RectR独立调制时的偏振转换效率与入射光波长的关系；(d) RectB相位调制曲线；(e~g) 对应于蓝光、绿光、红光入射的相位分布与随机矩阵；(h) 横向色散多焦点超透镜的最终相位分布与最终矩阵

进一步地，对所设计的超透镜进行全模仿真，如图3所示。模拟结果证明了所设计的超透镜能够在目标位置处实现多波长分别聚焦的功能，展示了焦点优秀的对称性，同时焦点的半高全宽与理论值接近，实现了接近衍射极限的多波长聚焦。

图3 横向色散多焦点超透镜的聚焦结果

最后，对所设计的超透镜进行串扰分析，如图4所示。几何相位单元结构本身具有宽带响应特性，虽然前期设计中已经尽可能地避免单元结构对工作波长以外的光进行调制，但是仍存在一部分调制量，这使得超透镜会在目标位置以外的地方聚焦。目标焦点强度值显著强于串扰焦点，因此这种串扰仅会略微降低聚焦效率，并不影响实际使用过程中的光谱分离功能。未来可以通过改变单元结构的几何尺寸、材料、排列方式等参数来进一步优化其光谱响应特性，减小串扰，提升光谱分离性能。

图4 横向色散多焦点超透镜的各波段串扰结果

总结与展望

本文提出了一种基于平面光学器件超透镜的光谱分离技术，采用选择性光谱响应单元结构编码RGB三个波段的聚焦相位，基于单片器件即可收集不同位置的光谱信息。所提出的方法将进一步推动小型化光谱成像器件的发展，为创造具有更小尺寸、更强功能的高度集成光学系统提供设计灵感，也将进一步推动超表面器件走向实用化，真正发挥其强大光场调控能力的优势。

同时，本文所提出的光谱分离方法并不只局限于RGB三个波段，可以通过单元结构的设计、相位分布的计算将其扩展到更多波段，实现多光谱成像，甚至是高光谱成像。

通信作者介绍

高辉，华中科技大学武汉光电国家研究中心副教授，中国科协“青年人才托举工程”入选者，中国民主促进会会员。本科就读于浙江大学，博士就读于中国科学院大学与新加坡国立大学，曾获2020年中国仪器仪表学会全国优秀博士论文奖。研究方向包括全息显示、微纳光学光场调制、激光微纳制造等，在Sci. Adv.等国际期刊上发表论文二十余篇，研究成果入选ESI高被引论文。承担国家自然科学基金、湖北省青年基金等多项国家级及省部级项目，入选武汉市曙光计划。目前担任期刊Opto-Electronic Advances武汉办公室主任、《中国激光》青年编委、中国光学工程学会微纳专委会委员/副秘书长、中国仪器仪表学会科普专委会委员/科普专家、Light科普坊科学家顾问等职务。

熊伟，教授，博导。国家级青年人才项目入选者。主要从事激光先进制造、激光微纳尺度3D/4D打印，纳米功能材料的合成和组装（包括碳纳米管，石墨烯，过渡金属硫化物二维材料等），新型忆阻器以及非线性超快激光成像与表征。熊伟教授在多维度激光微纳制造研究及应用方面开展了一系列开拓性工作，解决了现有加工技术在纳米材料生长、组装和三维成型制造等方面多项难以克服的问题。近年来，在Sci. Adv.、Nat. Comm.、Adv. Mater.、Light Sci. Appl.、ACS Nano、Int. J. Extrem. Manuf. 等国际期刊发表论文60余篇，申请中/美国发明专利20余项，在本领域具有重大影响力的国际会议如Photonics West、ICALEO等报告20余次，并获美国激光协会ICALEO国际会议最佳论文奖。相关成果成功应用于美国激光核聚变国家点火装置，解决了其中用于稳定惯性约束核聚变的激光微纳靶腔的制造难题。

期刊简介：《中国激光》创刊于1974年，由中国科学院主管、中国科学院上海光学精密机械研究所和中国光学学会主办、中国激光杂志社出版，是全面报道激光技术领域最新研究成果的旗舰级中文学术期刊。2021年改为半月刊，并开始出版“英文长摘要”以提高期刊论文的国际传播力。2021年和2022年分别打造“前沿激光制造”专题刊和“生物医学光子学”专题刊。《中国激光》目前被EI、ESCI、AJ、CA、INSPEC、Scopus、CSCD等检索系统收录。多次获得“百强科技期刊”“百种中国杰出学术期刊”“中国精品科技期刊”和“中国最具影响力学术期刊”等称号。2019年入选“中国科技期刊卓越行动计划”。2021年荣获“第五届中国出版政府奖”期刊奖提名奖。2022年入选《光学工程和光学领域高质量科技期刊分级目录》“T1级”。

科学编辑 | 高辉 王星儿

编辑 | 沈灵灵

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