一種基于超構透鏡本征色散和多焦點特性的超構表面光譜儀

導讀

近日，英國赫瑞瓦特大學的陳獻忠教授團隊提出了一種基于多焦點超構透鏡設計方案控制不同波長光束色散的新方法，在工作距離僅為300 μm的情況下，在波長為500 ~ 679 nm的可見光范圍內實現了納米級分辨率的光譜識別，為發展片上光譜儀提供了全新思路。

研究背景

色散現象廣泛存在于自然界中，通常是由材料的折射率隨入射光波長的變化而引起。在各種基礎研究和實際應用中，如最先進的顯微鏡、計量儀器、相機和光纖中的脈沖擴展等，都不可避免的要考慮色散問題。一方面，色散的存在會導致復色光在傳輸過程中走離，致使在通訊中引起串擾使信號失真，或在成像過程中引入色差而降低了成像質量；另一方面，色散在光譜學中同樣有著重要應用，例如光譜分析儀需要色散增強來提高其分辨率。色散的消除與增強在許多基礎研究和工業應用中都至關重要，如何精確控制色散是當前熱點問題。

傳統的色散控制通常需要由多種不同材料制成的色散元件組合（如衍射光柵、透鏡、棱鏡等）來實現，每引入一種由不同材料制成的色散元件可為整個系統的色散控制提供更多的自由度。但是，在色散控制系統中引入越多的元件來控制色散，精確對準的難度隨之增大，致使色散控制系統笨重且復雜，難以適應當前片上光子集成領域的需求。與傳統色散控制方法形成鮮明對比的是，由亞波長納米結構組成的光學超構表面通過結構幾何參數與排列方式的制定便可引入有效的色散來實現色散的控制與管理。而近年來納米制造技術的迅速發展使得超構表面器件加工難題得到解決，并大幅提升了超構表面的工作效率，超構表面統一的高度輪廓也極大地減小了控制色散所需光學對準的挑戰。

面向片上光子集成領域對高分辨率光譜分析的迫切需求，超構表面可具備的色散特性與超輕超薄的特性使其為發展片上光譜儀提供了全新思路。片上光譜儀在醫療、食品安全監測以及片上實驗室（Lab-on-a-chip）等領域也極具有應用潛力，特別對于開發小型化、便攜式、可穿戴的智能傳感設備具有重要意義。鑒于此，英國赫瑞瓦特大學的陳獻忠團隊提出了一種基于多焦點超構透鏡設計方案控制不同波長光束色散的新方法，在工作距離僅為300 μm的情況下，在波長為500 ~ 679 nm的可見光范圍內實現了納米級分辨率的光譜識別。

研究創新

作者團隊基于多焦點超構透鏡模型，將波長信息包含進超構透鏡的相位輪廓中，設計了可將不同波長光束分離并匯聚在焦平面上預設位置的多焦點超構透鏡，實現了光譜儀的功能。該超構表面光譜儀的工作距離僅為300 μm（超構透鏡的設計焦距），并在500 ~ 679 nm的可見光范圍內實現了納米級光譜分辨率。圖1顯示了超構表面光譜儀的示意圖，入射復色光束的波長信息可被精確地映射到焦平面一個圓環上的不同位置。該圓環由多個不同波長焦點組成，每個焦點所在方位角對應著一個入射波長。對于單色光入射，對應波長焦點附近的鄰近波長焦點也會由于色散不足匯聚光束，但可通過最大強度亮點所在位置準確識別入射波長。在復色光入射下，通過分析圓環上歸一化強度的分布，可以獲得組成復色光束的各個中心波長。

圖1 基于多焦點超構透鏡的超構表面光譜儀示意圖

圖2展示了在510 nm、581 nm和633 nm波長組成的復色光入射下超構表面光譜儀焦平面上的強度分布與光譜分析結果。強度分布的實驗結果與仿真結果基本一致。通過分析焦點圓環上補償不同波長視見函數后的強度分布，可獲得相對誤差小于0.5 %的復色光中心波長識別結果。此外，在單色光和復色光入射下，超構表面光譜儀都可實現1 nm的高分辨率波長檢測。

圖2 510 nm、581 nm和633 nm波長組成的復色光束入射下超構表面光譜儀焦平面上的強度分布與光譜分析結果

所提出的光譜儀不僅可以準確檢測入射光的中心波長，還具備識別光譜線寬的可能。作者團隊提出以線寬極窄的單頻光束入射獲得的強度分布為基準，標定不同線寬光譜產生的強度差異來識別待測光譜的線寬。此外，加工更大尺寸的超構表面可使提出的光譜儀實現更精準的線寬檢測甚至是連續光譜的識別。圖3展示了更大尺寸的超構表面光譜儀對不同線寬的高斯譜形的識別情況，理論上完全可以做到精準識別光譜線寬。另外，加工更大尺寸的超構表面還有助于提高超構表面光譜儀的分辨率和工作帶寬。

超構表面光譜儀對光譜線寬的檢測

總結與展望

該研究設計并實驗證明了一種基于超構透鏡本征色散和多焦點特性的超構表面光譜儀。在這項工作中，每個焦點匯聚波長的獨立設計為光譜儀色散控制提供了新的自由度。所提出的超構表面光譜儀，在可見光范圍內實現了納米級的光譜分辨率。設計方法靈活穩健，為控制多色光入射的期望色散提供了一種新的方案。該設計有望促進片上光譜分析、信息安全和信息處理等諸多應用領域的發展。

審核編輯：劉清