这个团队，突破理论极限，为超透镜实用化开辟新途径！

想象一下，沉甸甸的单反相机能够轻如羽毛，薄得就像一张纸。你会怀疑，这是怎么做到的？答案就是：超透镜（MetaLens）。

如今，科学家可以利用超构单元（meta-atoms）组成的超透镜对光进行控制，其微米级的厚度极大地减小了光学系统的体积和重量，而这项技术有望彻底颠覆传统光学。

事实上，超透镜的实际应用，一直受到消色差问题的严重困扰：即消色差超透镜（AML）受到带宽、NA和口径的耦合关系的限制，使得传统的消色差方法总是受到加工能力的极大限制。

近日，浙江大学杭州国际科创中心（简称科创中心）极端光学技术与仪器研究院马耀光研究员团队想到了一种全新的设计方法！他们提出了一种新型消色差超透镜的理论，实现了对于超透镜口径、NA、工作波段的理论极限的突破，并有效降低了达到该极限所需要的超构单元的高度及深宽比，为高性能消色差超透镜的实用化提供了新的途径。

用技术，突破理论极限

科学家们曾经提出了一系列方法尝试解决超透镜实际应用中的消色差问题，但仍然受到带宽、NA和口径的耦合关系的限制。其中，色散补偿要求（Group Delay, GD 群延时）会随着口径和NA的变大而变大，而在传统宽带消色差超透镜（Broadband achromatic metalens, BAML）中，大色散意味着meta-atoms的高度也会非常高。因此，大口径大NA的宽带超透镜对色散补偿的要求，使得传统的消色差方法总是受到微纳加工能力的极大限制。

团队创新性地提出了一种突破理论极限的新型消色差设计方法，即准消色差超透镜（Quasi-achromatic metalens, QAML）并分析计算了其物理极限。同时，团队首次提出色散调控特征相位延时（Phase delay，PD）可以根据相位特性进行延拓，压缩对meta-atoms的大色散调控能力的要求。准消色差超透镜克服了有限厚度的色散能力上限，并放宽了消色差超透镜的带宽、口径和NA。这种方法为超宽光谱和大孔径消色差元件提供了理论基础。

图1. (a) 相位-频率响应 (b) PD-频率响应, PD延拓示意图

图2. QAML实利用的时间自由度设计

准消色差超透镜有效地规避了大孔径和高NA条件下BAML无法达到的高厚度要求，就像一位悄无声息的魔术师，用微观的“魔法天线”重新编排了光的舞蹈，让每一位舞者都可以在没有天花板的地方尽情展现，它进一步推动了紧凑型消色差光学系统的发展。未来，光栅和光涡旋器件都可以基于这一理论进行优化。

图3. QAML的成像性能 (a) 不同频率分量下的PSF (b) 焦距-频率分布 (c) 聚焦效率-频率分布 (d) QAML与BAML性能对比 (e) 成像模拟

以想象，触碰“光学之眼”

如今，超透镜的研发难题正在被逐一攻破，这也让我们离“轻薄、便宜、高效”的超透镜更进一步。

马耀光说，目前，衍射器件的加工已经比较成熟，并在手机镜头、相机镜头等各个领域有广泛应用。未来，在实现了高深宽比的加工技术的条件下，我们期待，团队研发的准消色差超透镜凭借其高性能消色差能力，将进一步应用到手术室、自动驾驶汽车、甚至远征火星的探测器上，医生可以通过更轻便的内窥镜进行更精确的检查，自动驾驶系统能更准确地识别前方的障碍物，火星探测器能在更轻巧的设备下获得更清晰的星体图像。

每一项新事物在从实验室走向产业化、市场化的过程中往往都会充满困难和挑战。“任何技术或者理论要想推向市场并获得广泛应用，都建立在制备工艺可实现规模化生产的基础上，目前我们仅实现了理论和技术的阶段性突破，接下来还需要克服高成本、长制备周期等问题。”马耀光说。

此外，任何光学材料的应用并不是孤立的，不仅要考虑超材料本身的设计制备，还要考虑在与其他已有器件集成的过程中如何更好地结合。“因此，我们还希望做出来的准消色差超透镜具有可控性、稳定性，真正让超透镜实用化，这些都是今后研究的重点和难点。”马耀光说。

用超透镜代替传统的光学镜头，实现平面化、多模式的成像方式，在成像效果不变甚至更强大的前提下让手机、相机的镜头变得更轻薄，提升便携性，增强人们的体验感和佩戴舒适感，这就是团队用科技改变生活的初衷。

本项成果已在线发表在物理学顶级期刊Physical review letters上，完成单位为极端光学技术与仪器全国重点实验室、科创中心极端光学技术与仪器研究院，该研究得到了国家自然科学基金优青项目和浙江省自然科学基金杰青项目的资助。