超構(gòu)光學(xué)對光前所未有的控制能力，也拓寬了光學(xué)測試所需的參數(shù)空間！哈佛大學(xué)Capasso研究小組開發(fā)出了寬帶消色差RGB金屬透鏡，并使用NKT Photonics公司的SuperK超連續(xù)譜白光光纖激光器對其性能進行了驗證，成功實現(xiàn)多波長高效成像，為VR/AR、顯微成像等領(lǐng)域帶來全新可能。
翻譯：于國瑞
校對：陳德璽、楊睿
 不斷增加的超構(gòu)光學(xué)復(fù)雜性 

在過去十年中，超構(gòu)光學(xué) [1] 取得了重大突破。簡而言之，多種光學(xué)功能，例如取決于波長、偏振、自旋和入射光角度的功能，都可以被設(shè)計到單個平面光學(xué)元件中，而且無需像傳統(tǒng)光學(xué)元件那樣體積龐大。

實現(xiàn)有效超構(gòu)光學(xué)元件的先決條件包括：
?其準確的性能仿真；
?所設(shè)計的器件能夠在現(xiàn)有制造技術(shù)的范圍內(nèi)生產(chǎn)出來。

從一開始就解決這兩個問題的方法成為應(yīng)用領(lǐng)域的新的范例[2]?；蛟S隨著光學(xué)元件復(fù)雜性的增加，還有一個額外需要注意的問題，那就是測試要求也會隨之多樣化。例如，當超構(gòu)光學(xué)元件要提供寬帶消色差性能時，就需要在目標光譜范圍內(nèi)通過測試和測量來驗證仿真結(jié)果。寬帶光纖耦合激光源可以在這樣的光譜范圍內(nèi)提供一致的光束參數(shù)性能。

 技術(shù)突破：平面透鏡也能“消色差” 

Li等人[2]展示了一種計算效率高的逆向設(shè)計方法，用于復(fù)雜的毫米甚至厘米級3D超構(gòu)光學(xué)元件[3]，這種方法可以自然地考慮到制造限制。

為了展示他們的方法，該團隊首先模擬并在熔融石英基板上制造了兩個直徑為2毫米的RGB消色差金屬透鏡，隨后將這些元件用于光纖掃描近眼VR和AR成像配置中。

FIGURE   電子束制造超構(gòu)透鏡的掃描電鏡圖像

大規(guī)模的超構(gòu)光學(xué)元件可以使用納米壓印光刻技術(shù)制造到表面上或內(nèi)部，或者像在這種特殊情況下一樣，使用電子束光刻技術(shù)。也可以采用與CMOS兼容的制造技術(shù)[4]。

“NKT Photonics光子公司的SuperK超連續(xù)譜白光光纖激光器對我們團隊開展的眾多不同的超構(gòu)光學(xué)項目的光譜性能驗證來說是一大福音?！?br>—— 李趙毅博士（哈佛大學(xué)約翰?A?保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院）

 驗證利器：超連續(xù)譜激光光源 
在預(yù)期色域極值處的RGB值（此次測試中為470、548、648nm）下對成像性能進行了驗證。為此，作者使用了NKT Photonics公司的SuperK超連續(xù)譜白光光纖激光器和可以在每個波長處獲得最小線寬（≈10nm）的SuperK VARIA可調(diào)濾波器。

通過組合RGB波長（在這種情況下，每個激光二極管的線寬≈1nm）的獨立和單個激光二極管的輸出，也可以得到合成的黃色、青色和品紅色“波長”。

FIGURE  RGB-消色差超透鏡在藍、綠、紅及復(fù)合RGB（合成白光）光照下對USAF分辨率目標的成像

對于VR和AR原理驗證裝置，再次使用了SuperK白光光纖耦合激光器，同樣是在預(yù)期的RGB波長下。通過對多個光纖耦合RGB通道進行多級時間和空間調(diào)制，作者能夠展示單色、三色和七色3D效果的VR圖像。

FIGURE  通過對單個或多個SuperK白光激光波長進行多級調(diào)制實現(xiàn)的單色、三色和七色3D效果VR圖像

 總結(jié) 

這項研究的關(guān)鍵成果在于，利用一種超構(gòu)光學(xué)設(shè)計方法，能夠在寬光譜范圍內(nèi)實現(xiàn)清晰的消色差成像和顯示，該方法顯著降低了計算成本，同時考慮到了制造的限制。

作者計劃探索相關(guān)物理原理、設(shè)計方法以及制造技術(shù)，這些共同助力高性能大規(guī)模超構(gòu)元件在應(yīng)用中的下一次突破。

在這種情況下，SuperK超連續(xù)譜白光光纖激光器是用于消色差驗證測試的理想且靈活的表征工具，它可以在所有要測試的波長下提供可預(yù)測的光學(xué)特性，從而有助于確保結(jié)果的可靠性。

 NKT SuperK的優(yōu)勢 

NKT SuperK超連續(xù)譜白光激光器是表征先進光學(xué)元件、超材料、等離子體等的理想選擇。它像燈一樣光譜范圍寬，又像激光一樣亮度高。在整個390 - 2400nm區(qū)域內(nèi)，它能夠提供高亮度的衍射極限光。通過添加我們的一個濾波器，您可以將其變成一臺超可調(diào)諧激光器。它無需維護，全光纖架構(gòu)確保了出色的可靠性和上萬小時的使用壽命。

參考文獻
[1] Principles, Functions, and Applications of Optical Meta-Lens

[2] Meta-optics achieves RGB-achromatic focusing for virtual reality

[3] Inverse design enables large-scale high-performance meta-optics reshaping virtual reality

[4] Large area metalenses: design, characterization, and mass manufacturing