中国半导体十大研究进展候选推荐（2021-036）——极广角硅红外光学：具有178°视场和衍射极限像质的平面单片式超构镜头

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工作简介

         ——极广角硅红外光学：具有178°视场和衍射极限像质的平面单片式超构镜头

创新点：

提出硅制流线结构边界优化方法，通过局域优化消除寄生传输相位的影响，在宽带和大角度条件下平均衍射效率高于90%，相比传统离散型结构提升近20%。研制了平面单片式大视场超构透镜，衍射极限成像视场从传统的约20°提高到178°。此项研究为平面光学提供了新的亚波长结构形式和设计方法，在高分辨成像、激光扫描、目标监测与跟踪等领域具有应用前景。

成果总结：

作为信息感知的基础技术，红外成像技术已在夜视、救援、安防、医学检测等方面发挥着不可或缺的作用。例如，红外热成像仪广泛应用于公共场合的快速体温检测，在新冠防疫中发挥重要作用。然而，传统红外光学系统存在体积重量大、视场较小、热敏感性强、加工成本高、可选材料较少等瓶颈难题。例如，硅作为半导体技术的基础材料，其在长波红外（8-14 μm）具有较高的吸收系数，因此不适用于制造该波段的高效率光学器件。

近年来，平面光学尤其是亚波长超构表面的发展为解决上述问题提供了契机。超构表面的结构层厚度一般小于波长，因此可极大改善吸收损耗问题，使得高性能硅制红外光学器件成为可能，为硅基光电系统一体化提供了机会。然而，由于电磁耦合和波前采样率之间的相互矛盾问题，离散型超构表面难以同时兼顾能量效率、光谱带宽和角度带宽等关键性能指标。

图1. 传统大视场镜头（左）和大视场超构镜头（右）对比。

2021年，中国科学院光电技术研究所的罗先刚院士团队报道了一种基于悬链线光学概念的等相位流线优化方法，通过对硅制连续型结构中传输相位和几何相位的协同优化，在8-14 μm波段实现了近完美的超广角连续波前调控，平均衍射效率高于90%，相比传统离散结构提升20%左右。此外，结合该团队提出的物像空间对称转换的大视场成像原理，在近红外和长波红外波段分别设计了平面单片式超构镜头（图1），其衍射极限成像视场从传统的约20°提高到178°，可直接用于日间被动成像和夜间主动成像（图2）。相比于传统大视场成像镜头，平面单片式设计可大幅降低系统体积重量和复杂性。

图2. 近红外单片式广角超构镜头室内成像结果。

此项研究为平面光学提供了新的亚波长结构形式和设计方法，在高分辨成像、激光扫描、目标监测与跟踪等领域具有应用前景。相关成果以“Extreme-Angle Silicon Infrared Optics Enabled by Streamlined Surfaces”为题发表在Advanced Materials上（DOI：10.1002/adma.202008157）。

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作者简介

第一作者

蒲明博，博士，研究员，博士生导师，国家优青获得者。

获国家技术发明二等奖、四川省科技进步特等奖、中国科学院院长特别奖等荣誉。长期致力于平面光学成像、超分辨成像、悬链线光学、矢量光场调控及其在远距离能量和信息传输等方面的基础和应用基础研究，在 Science Advances、Physical Review Letters、Advanced Materials等高水平期刊上发表SCI论文百余篇，他引四千余次。

第一作者

张飞，2020年于重庆大学获得博士学位，现为中国科学院光电技术研究所博士后。

入选2020年度中国科学院特别研究助理资助项目，先后主持了博士后科学基金面上资助一等、博士后科学基金特别资助、国家自然科学基金面上项目等；长期致力于超构表面机理、平面成像、结构优化设计、微纳器件及系统等研究，在Advanced Materials、Advanced Functional Materials、Nanophotonics等期刊上发表论文三十余篇。

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原文传递

详情请点击论文链接：

‍https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202008157‍

《半导体学报》简介：

《半导体学报》是中国科学院主管、中国电子学会和中国科学院半导体研究所主办的学术刊物，1980年创刊，首任主编是王守武院士，黄昆先生撰写了创刊号首篇论文，2009年改为全英文刊Journal of Semiconductors（简称JOS），同年开始与IOPP英国物理学会出版社合作向全球发行。现任主编是中科院副院长、国科大校长李树深院士。2019年，JOS入选“中国科技期刊卓越行动计划”。2020年，JOS被EI收录。

“中国半导体十大研究进展”推荐与评选工作简介：

《半导体学报》在创刊四十年之际，启动实施 “中国半导体年度十大研究进展”的推荐和评选工作，记录我国半导体科学与技术研究领域的标志性成果。以我国科研院所、高校和企业等机构为第一署名单位，本年度公开发表的半导体领域研究成果均可参与评选。请推荐人或自荐人将研究成果的PDF文件发送至《半导体学报》电子邮箱：[e-mail]，并附简要推荐理由。被推荐人须提供500字左右工作简介，阐述研究成果的学术价值和应用前景。年度十大研究进展将由评审专家委员会从候选推荐成果中投票产生，并于下一年度春节前公布。

JOSarXiv预发布平台简介：

半导体科技发展迅猛，科技论文产出数量逐年增加。JOSarXiv致力于为国内外半导体领域科研人员提供中英文科技论文免费发布和获取的平台，保障优秀科研成果首发权的认定，促进更大范围的学术交流。JOSarXiv由《半导体学报》主编李树深院士倡导建立，编辑部负责运行和管理，是国内外第一个专属半导体科技领域的论文预发布平台，提供预印本论文存缴、检索、发布和交流共享服务。

JOSarXiv于2020年1月1日正式上线（http://arxiv.jos.ac.cn/），通过《半导体学报》官网（http://www.jos.ac.cn/）亦可访问。敬请关注和投稿！

扩展阅读

 

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