近日，精密光学工程技术研究所王占山和程鑫彬团队设计了高调制传递函数的大数值孔径超透镜，研究成果以“具有高调制传递函数的大数值孔径超透镜（Large Numerical Aperture Metalens with High Modulation Transfer Function）”为题，发表于《ACS光子学》（ACS Photonics）。
高分辨率的光学透镜/光学系统对先进光学成像十分重要。依据光学成像理论，为了实现高分辨率，需要光学透镜/光学系统同时具备大数值孔径和高调制传递函数。因为数值孔径决定了分辨率的上限，调制传递函数决定了其实际分辨率与上限分辨率的接近程度。目前，传统折射型的大数值孔径透镜实现高调制传递函数是很有挑战性的，主要受振幅不匹配的限制。
由人工亚波长结构单元构成的超表面对电磁波的振幅、位相有强大的调控能力，有希望同时实现理想透镜的振幅和相位匹配。但是由于大数值孔径超构透镜中单元结构之间的强耦合，使得实现完美的振幅匹配几乎不可能实现，所以长期以来的超构透镜大多基于仅相位轮廓的设计。这种仅位相型的超构透镜随着数值孔径的增大，调制传递函数遭受严重的下降，成像质量和聚焦效率迅速恶化。一直以来，如何在大数值孔径下实现高调制传递函数是大数值孔径超构透镜领域的重点研究问题。
王占山和程鑫彬团队提出了一种基于振幅位相共同调控的高调制传递函数的大数值孔径超构透镜构型，并使用干涉单元结构和分段取样相结合的方法设计超构透镜。揭示了振幅不需要完全匹配，仅仅实现所需振幅的趋势就足以显著提高大数值孔径超构透镜的调制传递函数。他们用斯特雷尔比来定量地描述调制传递函数和其上限接近程度。在940纳米处，他们成功将0.9数值孔径超构透镜的斯特雷尔比从0.68提高到了0.90，打破了仅位相聚焦轮廓型超构透镜的理论极限。
图1、高调制传递函数透镜构型及全波仿真模拟结果
该团队也对设计的超透镜进行了微纳制造和表征，实验超构透镜的特雷尔比为0.77，这甚至比仅位相型超构透镜仿真的特雷尔比还要高0.07，这证明仅实现所需振幅的趋势和位相要求就足以显著提高大数值孔径超构透镜的调制传递函数。
图2、振幅位相型超构透镜的形貌表征和性能表征
该工作为大数值孔径透镜提供了新的见解，并在高图像分辨率的光学系统中具备优秀的应用潜力。
同济大学物理科学与工程学院顿雄特聘研究员和程鑫彬教授为论文共同通讯作者，学院博士研究生张健和特聘研究员顿雄为论文共同第一作者。对论文具有突出贡献的合作者还包括阿卜杜拉国王科技大学Wolfgang Heidrich教授，同济大学物理科学与工程学院王占山教授、博士后朱静远、博士研究生张占一和冯超等。
论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsphotonics.2c02029
