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手机、无人机要变天？澳国立大学开发微型超材料透镜有望革新便携式成像技术
发布时间：2025-09-10 16:56:45 阅读数： 183
惠更斯多层超透镜设计的艺术渲染图。
近日，澳大利亚国立大学开发了一种制造多色镜片的新方法，为便携设备光学技术带来巨大突破，有望为手机和无人机等便携设备催生新一代微型、廉价且性能强大的光学元件。
据了解，该设计具备诸多优势特性，且适用于实际设备。设计采用多层超材料，能够同时聚焦来自非偏振光源的多种波长，且聚焦范围覆盖大直径区域，从而克服了微透镜阵列的主要局限性。该设计结构易于制造，因其纵横比低且各层可独立制备后集成封装。它还具有偏振不敏感特性，并可通过成熟的半导体纳米制造平台实现规?；?/span>
相关设计成果已发表于《光学快报》期刊，该设计论文的第一作者为澳大利亚国立大学物理研究学院及ARC变革性超光学系统卓越研究中心（TMOS）约书亚·乔丹（ Joshua Jordaan ），该项目由德国耶拿大学弗里德里?！は沾笱У难芯咳嗽鼻Ｍ?，隶属于国际研究培训组Meta-ACTIVE。
多层超表面设计实现高性能超透镜
超透镜作为传统透镜的先进纳米结构替代方案，显著提升了光学系统的紧凑性和功能性。超薄透镜的厚度仅为头发丝宽度的几分之一，比传统透镜薄几个数量级。它们可被设计成具有传统光学元件无法企及的特性，例如极短的焦距。
研究团队在超透镜设计过程中发现，传统的单层超表面结构存在根本性限制：实验证明，单层超表面可实现的最大群延迟存在物理极限，这直接制约了数值孔径、物理直径与工作带宽三者的乘积上限。
通过分析惠更斯共振超原子来阐释器件工作原理。示例超原子选自逆向设计的2340nm库（插图），并被x偏振平面波垂直入射至衬底。图示包含：单个超原子散射截面的多极分解曲线（上图），以及周期阵列的相位与透射率分布（下图）。在工作波长处（黑色虚线标注），同时给出了yz平面与xz平面内归一化电?。‥）与磁场（H）的分布曲线。
为达到目标波长范围，单层结构面临两难选择：若采用极小直径则违背设计初衷，若保持实用尺寸则数值孔径过低导致无法有效聚焦光线。这一瓶颈促使团队转向更复杂的多层设计方案。
通过采用基于形状优化的逆向设计算法，研究团队为结构设计赋予了极大自由度。他们引导软件寻找能在单一波长下同时激发电偶极子与磁偶极子简单共振（即惠更斯共振）的超表面形状，成功攻克了多层微透镜整合的技术难题。
该方法不仅改进了现有设计，更研制出具有偏振无关特性和更宽制造公差的超透镜方案——这一突破为实现工业量产规模应用奠定了重要基础。
(a) 超原子参数化与几何生成流程。示例采用对称几何结构，因控制点阵列网格存在7个自由参数（红色点），其取值范围为[0,1]。经插值处理后，在控制面值0.5处执行水平集操作，从而定义超原子边界。(b) 多波长超原子库逆向设计流程图。
超材料元件库实现精准光场调控
研究团队通过优化程序生成了一个形状多样化的超材料元件库，其中包含圆角方形、四叶草和螺旋桨等多种创新结构。
这些微型结构高度约300纳米、宽度约1000纳米，覆盖了从零到两倍π的完整相位移范围，使团队能够创建相位梯度图以实现任意聚焦模式——尽管最初仅试图构建传统透镜的简单环形结构。
(a) 多波长惠更斯超表面的单元胞示例。(b) 最终超原子库的三维渲染图（未显示嵌入的PMMA）。(c) 基于RCWA计算的复数超原子库透射值极坐标图。(d) 基于FDTD模拟的库性能表现，该超晶格设计为在调制波长下激发(1,0)阶。
研究人员表示他们能将不同波长聚焦到不同位置，从而构建彩色路由器，不过这种多层结构最多只能处理约五种不同波长。其核心挑战在于：结构必须足够大才能在最长波长下产生共振，同时避免短波长引发的衍射效应。
尽管这项新技术存在一些限制，但该项技术的突破性意义仍不容小觑。研究人员表示，制造出拥有高效收集光线能力的金属透镜，将为未来的便携式成像带来革命性进展，并且在研究团队的努力下它的设计非常小巧轻便，非常适合无人机或地球观测卫星。
