中山大学物理学院、光电材料与技术国家重点实验室王雪华教授、李俊韬教授和梁浩文副教授研究团队最近提出将相位色散调控能力有限的超构原子区分复用地制备到台阶相位色散补偿层上，实现了同时具有高数值孔径、大口径尺寸和宽带消色差的“高大宽”消色差平面透镜，突破了消色差平面透镜“高大宽”不可兼得的长期困境。相关研究成果以“High-Performance Achromatic Flat Lens by Multiplexing Meta-Atoms on a Stepwise Phase Dispersion Compensation Layer”为题于2025年3月5日发表在国际光学顶级期刊《Light: Science & Applications》上。
图1：“高大宽”消色差平面透镜的物理设计、器件特征、聚焦性能及成像性能
1609年伽利略利用望远镜（透镜组）开启了人类观察观测宇宙的新纪元，然而光学固有的偏折色散导致观测目标成像呈现色差彩虹效应。为消除色差效应，1729年，霍尔发明了一件光学“神器”—消色差透镜，开启了消色差透镜近300年的研发历程。现代信息化技术要求发展小型化、集成化和轻薄化的新型消色平面差透镜。亚波长尺度人工超构原子具有一定的相位色散调控能力，利用这种特性可以令有序排列的超构原子实现消色差聚焦和成像，从而设计出消色差平面透镜。然而，这些超构原子调控相位色散的能力有限，限制了消色差平面透镜的性能，导致消色差平面透镜无法同时实现高数值孔径、大口径尺寸及宽带消色差。为突破 “高大宽”不可兼得的长期固有困境，科学家们提出过许多解决方法，但这些方法都未能从根本上解决这一难题。
为此，王雪华研究团队提出一种全新的超构原子区分复用方法：利用台阶相位色散补偿层将平面透镜分成传播相位阶梯变化的不同区域，从而实现超构原子相位色散有限调控的区分复用。原理上，这种复用可以不断重复下去，从根本上解决了消色差平面透镜固有的“高大宽”不可兼得的长期困境。该研究为消色差平面透镜在光子集成芯片，生物医学成像、人工智能、自动驾驶、机器视觉等新兴领域的广泛应用扫清了障碍。
中山大学为该成果的第一署名单位，中山大学物理学院博士研究生林锦根和陈进北为论文共同第一作者，王雪华教授、李俊韬教授与梁浩文副教授为论文共同通讯作者。该工作得到了国家重点研发计划项目、国家自然科学基金项目、广东省重点领域研发计划项目等的大力支持。
