各向异性超表面光场联合调控超分辨成像研究

Metasurfaces with artificial sub-wavelength structures have greatly boosted the development of photonic technologies, such as the excitation of photons, the production, propagation, and conversion of optical beams. Currently, the studies of dimensional manipulation of optical fields have been becoming one of the most burgeoning research fields due to the versatile potentials in nanophotonic and integrated optical applications. We aim to study the theory and techniques of super-resolution imaging based on multi-dimensional manipulation of optical fields with metasurfaces in this project, which is different from traditional fluorescence labeling methods and superoscillation methods. We will study the intrinsic resonances modes of metasurfaces with different design methods, and propose the design strategy for independent and full control of optical amplitude, phase, and polarization to realize arbitrarily manipulating far-field optical vector fields. We will make clear of the relationship between the focusing efficiency, the full width at half maximum, the field-of-view of the super-resolution focusing process. Moreover, we will study the chromatic and imaging aberration of the super-resolution imaging metasurfaces, and propose a new scheme for high efficiency, achromatic super-resolution metalens with a large field-of-view. We hope to promote the development of optical manipulation of metasurfaces in label-free far-field super-resolution applications, and form our own characteristics and advantages in this research field.

超表面的出现有效地增强了人们在光子激发、光束生成、光场控制、光场转换等方面的调控能力，成为微纳集成光子学领域重要的研究方向之一。本项目拟从理论和实验两方面开展基于各向异性超表面多维联合调控的超分辨研究。与传统的荧光标记超分辨和超震荡方法不同，本项目研究超表面光场调控的内在机制，提出基于振幅、偏振、相位等光场多维度的独立、完全调控新设计，进而实现基于矢量偏振光的远场高自由度操控；在超震荡等理论模型的基础上，揭示无标记远场聚焦的效率、半峰宽、视场等关键参量与微结构光场联合调控设计的内在关系，获得优化的超分辨聚焦新设计；研究超分辨成像的波长依赖性与角度依赖性，得到大视场消色差的超分辨成像设计新方案。我们希望通过本项目的开展，推动超表面光场调控技术在微纳光学中的发展，为高性能无标记远场超分辨成像技术的实现奠定基础，并在该领域的研究中形成自己的特色和优势。

超表面的研究对于光场激发、模式控制、信息传输、光传感等不同领域都有重要的意义。本项目基于人工微结构对光场不同维度的高性能调控，利用超表面实现不同的光子功能器件，提高成像超表面的视场和分辨率，主要研究工作如下：1) 基于对统计超表面相位分布的调制深度以及入射光束光斑大小的控制，实现对出射光束相干度从相干到非相干的连续精确调控，这种调控可以与其他波前调控相结合，实现不同光束的相干性调控或相干度-相位联合调控；2) 提出了一种基于自由电子动力学的流体动力学模型的设计原理，实现二次谐波的全复振幅调控，并将其应用于多路涡旋光束的同时传输，有效提升了非线性光信息传输的精度和分辨率；3) 阐释了微结构的对称性元素、空间群与准BICs转化之间的联系，丰富了对称性保护的BICs的物理机理，并且利用多带准BICs模式，提出一种同时利用谐振Q值与峰位的多变量各向异性传感机制；4) 利用超透镜阵列中不同空间位置光场信息的不同，在人工微结构系统实现了被成像物体的三维高精度定位，该技术利用梯度下降算法和遗传算法，不仅有效扩大了成像和定位视场范围，还消除了视场范围内的成像像差，有效提高了成像分辨率；5) 基于人工微结构的光场调控效应研究了超透镜的聚焦效率和分辨率，实现了较宽视场的聚焦和成像，并且其离轴相差得到了明显的优化，成像物体的离轴值达到约5倍波长；6) 利用各向异性超表面实现了不同偏振态的不同结构色显示技术，进而结合深度学习算法实现了高精度偏振检色技术。本项目成果对于阐明人工微结构特殊光场调控机制、推动高性能超表面成像新技术的发展具有一定科学意义，有望应用于光学雷达、快速偏振检测等领域。