李涛、祝世宁研究组：“双面神”超表面折叠空间构建薄饼相机

daka

近日，南京大学李涛教授、祝世宁院士的研究团队研发出一种基于偏振复用双面超构透镜的超薄成像系统——pancake相机（类似“奥利奥”甜品的薄饼相机）。它一方面利用超薄超轻的超构透镜替代传统的折射透镜，另一方面将超构透镜与反射镜相结合，利用超构透镜基于偏振的空间折叠特性进一步实现了成像系统的压缩（图1）。该成果以“Bifacial metasurface enabled pancake metalens by polarized space folding”为题于2022年11月23日发表在Optica上。

图1 pancake 超构透镜相机的成像示意图

         研究背景：
        现代成像技术的一个发展趋势就是成像系统的小型化和便携性。超构透镜由于其超薄超轻的特性，被人们赋予众望去替代传统的体块折射型透镜。然而，一般来说除了透镜本身，透镜工作距离也在成像系统中占据了更大的体积比例。要实现成像系统的终极小型化，除了用平面超构透镜替代传统的体块透镜，更重要的在于对成像距离的压缩和折叠。可惜的是，虽然具有超薄特征的超构透镜研究不断深入，多种成像功能被先后演示，但在成像系统空间的压缩方面鲜有报道。另一方面，在近年来流行的虚拟现实和增强现实领域有一种pancake光学设计，可有效压缩成像或显示系统，但是它需要光经过多次分束来完成，其能量利用率不超过25%，同时在空间折叠过程中的光场相位调控也非常有限。
        研究创新点：
        李涛教授团队提出了一种具有透反和偏振同时调控的双面超构透镜（也称作“双面神”超构透镜）与一个平面反射镜结合，可有效地构建一种偏振空间折叠成像方案，理论上可无损失地对成像距离任意压缩（见图1）。 研究人员首先从傅里叶光学的角度介绍了pancake 超构透镜相机的工作原理，即利用多次波矢调制来减小成像距离，并利用超构微腔进一步折叠压缩成像距离，此外还对比了与传统pancake 光学的效率优势 （图2）。

图2 pancake超构透镜的工作原理。(a)普通超构透镜的光线示意图，(b)多次波矢调制减小成像距离，(c)利用超构微腔进一步折叠成像距离；(d)传统pancake optics 能量利用示意图，(e) pancake meta-optics 能量利用示意图。

        随后研究人员基于前期的手性超构原子（Nano Letters 21, 1815−1821 (2021)）设计复合超构原胞，构建具有透反调控的偏振复用的双面超构透镜。它可在一个圆偏振入射下为透射的调制，另一个圆偏振入射下为反射的调制，并验证了其透反射模式下独立调控相位的能力。研究人员进一步将双面超构透镜与反射镜结合组成“奥利奥”薄饼相机。图3(a,b-d)分别给出了薄饼相机成像中光路折叠示意图和Zemax的光线追迹模拟，随后他们通过仿真模拟上给出了折叠相机空间压缩焦距缩短的验证，见图3(e-g)。

图3 pancake 超构透镜的模拟结果。 (a) pancake 超构透镜光线示意图。 (b)& (e) 普通超构透镜，(c)&(f) 压缩比为1/3的pancake超构透镜，(d)&(g) 压缩比为1/5的pancake超构透镜的光线追迹图和全波仿真结果。

        最后，研究人员在实验上加工了压缩比为1/3的双面超构透镜pancake成像系统（见图4，成像距离由原先3h减至h），实验测量了980nm波长下普通成像和pancake压缩之后的成像性能对比，结果显示其焦斑大小、斯特涅尔比及MTF等性能都很接近。图5第一行则展示了pancake相机针对不同样品在不同情境下的成像结果，与普通超构透镜相比(图5第二行)，其成像性能非常接近。

图4 Pancake超构透镜成像系统。（a）传统成像工作距离为3h=2400m，（b）空间压缩成像工作距离为h=800mm。

图5 (a)(c)(e)(g)(i)不同照明方式下不同物体的pancake超构透镜的成像结果。(b)(d)(f)(h)(j)不同照明方式下不同物体的普通超构透镜的成像结果。

        总结与展望：
       该工作巧妙得利用了超构表面偏振调控以及透反射同时调控的能力，与平面反射镜结合进行了偏振空间的折叠，有效的压缩了成像系统的工作距离，同时克服了传统pancake系统能量分束的难题，为高集成成像系统的开发提供了全新的方案。同时，该pancake系统也演示了一种异于传统的光学腔，它通过反射过程中的偏振转换可以固定光线在腔内反射三次。这一特殊效应也预示着超构表面能给光学腔的设计带来更多可能和新的物理效应。
        南京大学李涛教授为论文的通讯作者，助理研究员陈晨为共同通讯作者兼第一作者，博士研究生叶欣、孙嘉程为共同第一作者。工作得到了祝世宁院士的悉心指导，南京大学固体微结构国家重点实验室微加工中心为样品加工提供了重要技术支持。该研究得到国家重点研发计划（2022YFA1404300），国家自然科学基金（62288101, 12174186，91850204），以及南京大学登峰B计划支持。
         文章信息https://doi.org/10.1364/OPTICA.474650
          文章来源：南京大学
      李涛，教授，博士生导师。南京大学首批“登峰人才支持计划”入选者，国家自然科学优秀青年基金获得者，香港浸会大学“王宽诚”教育基金获得者。2005年于南京大学物理系获博士学位；2008年应聘至南京大学现代工程与应用科学学院任教，同年获副教授职称；2013年获教授职称；2015年担任量子电子学与光学工程系执行主任。曾先后赴新加坡南洋理工大学（2012年），香港浸会大学（2013年）做访问学者。先后主持国家重大研究计划课题两项，主持自然科学基金项目多项。研究兴趣是围绕表面等离激元的新颖光学效应和光子集成。在国际会议和国际知名科研单位做邀请报告三十余次。在Nature Common., Phys. Rev. Lett., Nano Lett., Light Sci. Appl., Laser Photon. Rev., Sci. Rep.等刊物发表论文70余篇，被引用1600余次，H指数23（Web of Science 2016年数据）。
         祝世宁，男，1949 年12 月生。物理学教授，博士生导师。在南京大学物理系获硕士、博士学位。曾先后在美国宾州州立大学意大利第三世界理论物理中心(ICTP)、香港浸会大学、日本京都大学和美国加利福尼亚大学伯克利分校从事过合作研究和学术访问。1999年至2005年任南京大学固体微结构物理国家重点实验室副主任、凝聚态学科主任；2005年任南京大学物理学系主任；2009年起任南京大学物理学学院院长; 2007年当选为中国科学院院士; 2012年当选为美国光学学会会士(Fellow); 目前还担任科技部973顾问组成员(2011-), 纳米重大研究计划专家组成员(2010 -), 教育部科技委委员(2009 -), 材料学部主任(2009 -), 江苏省物理学会理事长(2006-), 江苏省科协副主席(2009 -)等职。