可见光波段的全介质超表面透镜及其像差矫正技术研究

Optical lens as one of the key optical elements in modern optical systems, is widely used in astronomy, medical and life science exploration, national defense security and other fields. The traditional optical imaging systems consist of discrete optical components like lenses, filters and gratings, which requires a complicated manufacturing process. With the development of modern integrated optical systems, reducing the size of optical elements is becoming more challenging. Metasurfaces, as a kind of two-dimensional metamaterials, are planar optical elements that composed of phase shifters made by subwavelength nanostructures. They are capable of arbitrarily controlling phase, polarization, and amplitude of incident beam. This project is to theoretically and experimentally study the interaction between the light wave and the nanostructure as well as the metasurface array at visible frequencies. All-dielectric metasurface lenses and related aberration correction techniques will be inverstigated. The advantage of the metasurface lens is that it has an ultra-thin thickness and a smaller f number. This project not only can bring us a deeper understanding of the interaction between light and matter at nanometer scale, but also will provide valuable design guidelines for the application in integrated optical imaging system.

光学透镜作为现代光学系统的核心光学元件之一，被广泛应用于天文、医疗、生命科学探索、国防安全等领域。传统的光学成像系统主要是由透镜、滤波器或者光栅等基本单元组成，需要一个较为复杂的制造流程。随着现代光学系统的集成化发展，光学器件的小型化越来越具有挑战性。光学超表面属于超材料的一种，是由许多亚波长纳米结构单元组成的二维平面结构，可以任意调控光波的相位、振幅和偏振。本项目拟从理论和实验两方面出发，系统研究可见光频段下光波与纳米柱状单元和超表面阵列的相互作用关系。在此基础上，设计超表面成像透镜并研究其像差矫正技术，从而提高成像质量。超表面透镜的优势在于具有超薄的厚度以及较小的f数。通过本项目的研究，可以深入了解光与物质在纳米尺度下的相互作用关系，并将为推动集成光学成像系统的应用提供有价值的设计方案。

光学透镜是成像系统的重要组成部分，广泛应用于摄影、望远和显微领域。近些年，超表面在操控光波的振幅、相位和偏振方面表现出了空前的能力，尤其是在成像领域表现出了强大的潜力。然而，由于相位色散的存在，基于超表面的光学透镜（超透镜）忍受着相当大的色差。本课题旨在从理论上和实验上研究光波与亚波长纳米结构之间的相互作用关系。我们提出了两种消色差的方案均成功地实现了大带宽范围的色差消除，一种是通过设计双层的结构，另一种是通过后处理算法的方式实现。前者实现消色差的波长范围是1000−1700 nm，后者实现的是460−700 nm。此外，借助超表面卓越的波前操控能力，我们提出了许多新颖的光学器件，如涡旋光束产生器，Airy光束产生器，微透镜阵列,全息器件等等。通过本项目的研究，可以深入了解光与物质在纳米尺度下的相互作用关系，并将为推动集成光学成像系统的应用提供有价值的设计方案。