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文
摘
要
南京大学 物理学院 王漱明
光是获取信息的载体，贯穿了人类两千多年的自然科学发展史。“潭清疑水浅，荷动知鱼散”是它折射现象的体现，“湖光秋月两相知，潭面无风镜未磨”是它反射特性的缩影。它丰富的色彩，奇妙的现象，共同打造成大自然中的一幅幅精美画卷。因此，为了便于人们获得更多的外界信息，精确地操控光的传播行为一直以来都是科学家们思考的问题。由于传统的光学元件和系统体积庞大，空间占比高且光利用率较低，使成像分辨率和信息通道受限，无法满足日新月异的科技的发展和人们生活的需要。因此，开发人工定制的光学功能器件和材料，成为了人们研究光的出发点。
英国科学家Pendry教授在20世纪末的一项研究，正式吹响了这项研究的号角。他开创性提出了使用亚波长的金属共振环结构，可以获得人工电磁响应，人为地操控和设计材料的光学和电磁效应，从而引导光的传播。这一思想随着先进微纳加工技术发展逐渐成为了现实，形成了一股名为“超构材料”(Metamaterial)的研究浪潮，并延伸到了各个学科领域，如调制声波和热流的声学、热学超构材料，操控应力的力学超构材料等。
推动光学超构材料迈入集成化和应用化进程的功臣应该首推2011年提出的广义斯涅耳定律(反射折射定律)。它揭示了利用不同的金属微纳结构(超构材料单元)对光的相位操控能力，在一个表面上根据我们的需求有序排列这些超构材料单元所形成的二维超构材料可以有效的操控光的折射和反射，比如负折射，负反射，以及特殊的光场操控，等等。这种二维的超构材料被称为“超构表面”。根据人们所需要的相位排列超构材料单元的设计方法像极了四大发明中的活字印刷术。
如今，超构表面的研究已经迅速发展到了一个新阶段，融合了各种新概念，并探索了多种跨学科应用的新材料。其中最引人关注的，当属超构透镜的问世。2016年，哈佛大学的Capasso课题组报道的超构透镜兼具了大尺寸，高效率，大数值孔径等优势。其在可见光波段的接近衍射极限的单波长成像，与传统光学镜头的成像效果相比不遑多让，而其轻薄、紧凑的优势则有望取代传统成像镜头进入人们的生活。然而，超构表面本身严重的色差问题大大的阻碍了超构透镜在可见光或者宽波段工作的“拍照神器”。传统镜头利用不同色散性质的材料制作的透镜组可以实现少数几个波长的消色差，超构透镜如何克服这一瓶颈，实现连续波长消色差，并保持单层超薄的优势呢?
针对这一难题，我国的科研团队从超构透镜的相位原理出发，理清了色差调控的物理图像，将宽带工作的光学元件所需要的相位拆分为与色差无关的基础相位和与色差相关的补偿相位。这种相位拆分的原理适用于任何宽带相位缓变得光学元件设计，如宽带连续消色差聚焦，反射和折射，等。科研人员首先制备出了消色差金属聚焦镜和反射板，在红外波段实现了带宽为中心波长1/3的宽带连续消色差超构表面器件。随后，在氮化镓半导体纳米薄膜刻蚀各种超构材料单元，实现了在400nm-660nm的可见光波段的宽带连续消色差超构透镜。并在国际上首次实现了超构透镜的全彩色成像，成像分辨率高达2.19μm，接近此透镜的分辨率极限，带宽也从之前的近红外消色差工作的中心波长的1/3增大到中心波长的1/2。在此基础上，针对单个消色差超构透镜有限的通光口径和成像能力，结合昆虫复眼结构的成像思想，研究人员制备了包含60×60=3600个的消色差超构透镜的毫米量级口径的超构透镜阵列，通过这些超构透镜得到从多个视场角度观察景物的像，可以实现对视场中物体的三维信息的有效实时拍摄。
虽然超构表面和超构透镜在过去的十年中得到了深入的研究和快速的发展，但在实际应用和最终用途方面仍然存在一些重大的挑战，期待未来进一步发挥超构表面在新的研究领域的优势。
专家简介：
王漱明副教授领导的超构表面研究团队主要研究兴趣为微纳光学领域。使用微纳结构实现传统体块光学器件无法完成或者完成效果不好的新颖功能。在微纳光学体系中，本课题组主要研究的是利用超构表面和金属等离激元器件实现较传统体块光学器件体积更小、功能更强的经典和非经典光学器件和效应。王漱明副教授曾获得国家自然科学基金优秀青年项目资助和第四届江苏青年光学科技奖，研究成果两次获得中国光学十大进展(2018，2020)。先后在国际学术期刊上发表SCI论文70余篇，其中包括以第一作者和通讯作者发表1篇Science，2篇Nature Nanotechnology，2篇Nature Communications，1篇Advanced Materials和1篇Nano Letters等等，总被引用次数超过2000次。
(文/胡月)
