消色差超振荡超表面通过优化的多波长函数用于亚衍射聚焦

传统的光学系统，如显微镜和望远镜，分辨率有限，这在根本上是由光的衍射引起的。衍射极限描述为0.5λ/NA的关系，其中λ和NA分别为系统的工作波长和数值孔径。提高光学系统分辨能力的常用方法是增加光学系统的NA值和缩短光学系统的波长。但是，NA在空气中的最大值是1;因此，有限分辨率约为0.5λ。

       光学超振荡现象，发生在带限函数能够比其最高傅里叶分量振动快得多的区域，已经引起了大量的关注，并被证明在NA极限下的光学系统中提供非侵袭性的远场超分辨率图像。该方法可以有效地避免复杂的近场操作和特异性染料标记。超振荡焦点主要是由衍射光学元件、超表面等人工结构产生的经过特殊优化的相位和振幅分布的光的精细干涉产生的。然而，大多数报道的超振荡元件对入射波长的变化很敏感。2015年，提出了一种基于Pancharatnam Berry (PB)超表面的宽带超振荡结构，并在实验中得到了验证。所使用的纳米孔径可以提供整个可见波长的无色散相位剖面，并在不同波长下产生几乎相同光斑大小的亚衍射焦点。但在空气中传播时，由于不同的波长，焦平面会随着波长的变化而发生位移。为了校正轴向偏移，超振荡超表面滤光片和商用消色差透镜的组合被用于宽带超分辨率成像，但集成和小型化这样一个庞大的装置是非常困难的。利用固有物质色散来确定和计算不同波长的光响应。换句话说，一旦所用的材料被确定，就没有在不同波长分别调制相函数的自由度。

        近日，来自湖南大学的Long Chen等人提出了一种同时优化多个波长相关相位函数的多波长消色差超振荡金属材料。超表面由几何尺寸不同的高纵横比亚波长二氧化钛(TiO2)纳米粒子组成，可以在不同波长下提供不同的、独特的色散。通过电磁仿真进一步证明了消色差超振荡金属的存在，并在设计波长下在同一轴向平面上精确地形成亚衍射焦点。为了进一步证明提出的方案的可行性，他们还设计了一个带宽为100nm的宽带消色差超振荡金属材料，并以同样的策略进行了演示。本文提出的多波长可控方法有望为彩色全息术、显微术和摄影术的应用开辟一条道路。相关工作发表在《Optics Letters》上。（郑江坡）

文章链接：https://doi.org/10.1364/OL.40476404