中山大學物理學院、光電材料與技術國家重點實驗室王雪華教授、李俊韜教授和梁浩文副教授研究團隊最近提出將相位色散調控能力有限的超構原子區分復用地制備到臺階相位色散補償層上，實現了同時具有高數值孔徑、大口徑尺寸和寬帶消色差的“高大寬”消色差平面透鏡，突破了消色差平面透鏡“高大寬”不可兼得的長期困境。相關研究成果以“High-Performance Achromatic Flat Lens by Multiplexing Meta-Atoms on a Stepwise Phase Dispersion Compensation Layer”為題于2025年3月5日發表在國際光學頂級期刊《Light: Science & Applications》上。
 

圖1：“高大寬”消色差平面透鏡的物理設計、器件特征、聚焦性能及成像性能
 

　　1609年伽利略利用望遠鏡(透鏡組)開啟了人類觀察觀測宇宙的新紀元，然而光學固有的偏折色散導致觀測目標成像呈現色差彩虹效應。為消除色差效應，1729年，霍爾發明了一件光學“神器”—消色差透鏡，開啟了消色差透鏡近300年的研發歷程。現代信息化技術要求發展小型化、集成化和輕薄化的新型消色平面差透鏡。亞波長尺度人工超構原子具有一定的相位色散調控能力，利用這種特性可以令有序排列的超構原子實現消色差聚焦和成像，從而設計出消色差平面透鏡。然而，這些超構原子調控相位色散的能力有限，限制了消色差平面透鏡的性能，導致消色差平面透鏡無法同時實現高數值孔徑、大口徑尺寸及寬帶消色差。為突破 “高大寬”不可兼得的長期固有困境，科學家們提出過許多解決方法，但這些方法都未能從根本上解決這一難題。
 

　　為此，王雪華研究團隊提出一種全新的超構原子區分復用方法：利用臺階相位色散補償層將平面透鏡分成傳播相位階梯變化的不同區域，從而實現超構原子相位色散有限調控的區分復用。原理上，這種復用可以不斷重復下去，從根本上解決了消色差平面透鏡固有的“高大寬”不可兼得的長期困境。該研究為消色差平面透鏡在光子集成芯片，生物醫學成像、人工智能、自動駕駛、機器視覺等新興領域的廣泛應用掃清了障礙。
 

　　中山大學為該成果的第一署名單位，中山大學物理學院博士研究生林錦根和陳進北為論文共同第一作者，王雪華教授、李俊韜教授與梁浩文副教授為論文共同通訊作者。該工作得到了國家重點研發計劃項目、國家自然科學基金項目、廣東省重點領域研發計劃項目等的大力支持。