通过独特的差异化设计原理，研究人员提供了一种消除超表面中色差的方法。

光的精确控制是光学成像、传感和通信中的重要需求。传统用于此目的的镜头存在局限性，必须找到更精确、更紧凑的解决方案。为了解决这个问题，研究人员开发了金属透镜，这是由比光波长更小的纳米材料构成的超薄透镜。这些亚波长元件提供了操作光波的手段，具有异常精确的幅度、相位、偏振和方向控制能力。

此外，与笨重的镜头相比，金属透镜更易于生产，并且非常适合微型化和高度集成的光学设备。然而，亚波长元件也使它们容易受到色差的影响。这是一种当光线通过透镜时，不同波长在与亚波长结构相互作用时经历不同的相移的情况。结果导致不同颜色或波长的光不能在同一点聚焦，从而造成焦点丧失和图像质量降低。

现在，研究人员在《Advanced Photonics Nexus》杂志上发表的最新研究中，提出了一种新颖的方法来创建宽带无色散和极化不敏感的金属透镜（BAPIML）。他们的方法利用了光学中用于定义成像系统中最小可分辨细节的Rayleigh判据，这是光学中的一个基本原理。“这些科学和技术进展值得注意，因为它们为解决金属表面色差问题提供了一条道路，而这一挑战一直以来一直阻碍了该领域的进展，”佛罗里达国际大学的学术期刊编辑Alex Krasnok教授指出。

根据Rayleigh判据，当两个接近的点源的衍射图案中心落在另一个点源的衍射图案的第一极小值上时，这两个点源可以被分辨出来。当衍射图案接近这一极限时，两个点就无法区分了。这个原理在望远镜和显微镜的设计中起到了重要作用，用于区分天体对象和捕捉微小样本中的最微小细节。在这项研究中，研究人员巧妙地应用了这一概念，开发了两种互补的金属透镜，将亮点合并成一个聚焦的光点。

他们使用由相变材料Ge2Sb2Se4Te1制成的纳米鳍片来制造这两个金属透镜。这些纳米鳍片按照正交或平行的方向排列，并被设计为在通过它们的光线中引入相位变化。一个纳米鳍片作为4微米波长的半波片，而另一个纳米鳍片作为5微米波长的半波片。

当透镜被光照射时，会产生两个不同位置上的明亮光点。然而，通过仔细调节透镜的参数，如半径和焦距，研究人员成功地将这些亮点合并成一个聚焦光点，效率高达43%。简而言之，通过将不同波长的光聚焦到同一点上，透镜抵消了色差。

最后，研究人员通过生成宽带无色散和极化不敏感聚焦光子涡流展示了他们方法的多样性。“简单来说，这项工作表明我们正在朝着创建能够更好处理光线且不产生失真的透镜的方向发展，这有可能改善各种光学应用，”Krasnok教授说道。

这种开发BAPIML的新方法为改进成像和光学应用打开了一扇大门，包括分子传感、生物成像、探测器和全息显示等领域。

参考文献：“Differentiated design strategies toward broadband achromatic and polarization-insensitive metalenses” by Ximin Tian, Yafeng Huang, Junwei Xu, Tao Jiang, Pei Ding, Yaning Xu, Shenglan Zhang and Zhi-Yuan Li, 22 July 2023, Advanced Photonics Nexus.DOI: 10.1117/1.APN.2.5.056002"