近日，物理科學與工程學院程鑫彬教授團隊設計了高調製傳遞函數的大數值孔徑超透鏡，研究成果以“具有高調製傳遞函數的大數值孔徑超透鏡（Large Numerical Aperture Metalens with High Modulation Transfer Function）”為題，發表於《ACS光子學》（ACS Photonics）🦹🏼。

高分辨率的光學透鏡/光學系統對先進光學成像十分重要❌。依據光學成像理論🏂🏽，為了實現高分辨率𓀀，需要光學透鏡/光學系統同時具備大數值孔徑和高調製傳遞函數🕊📉。因為數值孔徑決定了分辨率的上限🧖🏼，調製傳遞函數決定了其實際分辨率與上限分辨率的接近程度。目前👎🏼，傳統折射型的大數值孔徑透鏡實現高調製傳遞函數是很有挑戰性的，主要受振幅不匹配的限製。

由人工亞波長結構單元構成的超表面對電磁波的振幅、位相有強大的調控能力，有希望同時實現理想透鏡的振幅和相位匹配🦹‍♀️。但是由於大數值孔徑超構透鏡中單元結構之間的強耦合🐝，使得實現完美的振幅匹配幾乎不可能實現⭐️，所以長期以來的超構透鏡大多基於僅相位輪廓的設計。這種僅位相型的超構透鏡隨著數值孔徑的增大，調製傳遞函數遭受嚴重的下降🚣🏿‍♂️，成像質量和聚焦效率迅速惡化🎑。一直以來，如何在大數值孔徑下實現高調製傳遞函數是大數值孔徑超構透鏡領域的重點研究問題。

程鑫彬教授團隊提出了一種基於振幅位相共同調控的高調製傳遞函數的大數值孔徑超構透鏡構型，並使用幹涉單元結構和分段取樣相結合的方法設計超構透鏡。揭示了振幅不需要完全匹配🏄‍♀️，僅僅實現所需振幅的趨勢就足以顯著提高大數值孔徑超構透鏡的調製傳遞函數🛻👃🏽。他們用斯特雷爾比來定量地描述調製傳遞函數和其上限接近程度。在940納米處，他們成功將0.9數值孔徑超構透鏡的斯特雷爾比從0.68提高到了0.90，打破了僅位相聚焦輪廓型超構透鏡的理論極限。

圖1、高調製傳遞函數透鏡構型及全波仿真模擬結果

該團隊也對設計的超透鏡進行了微納製造和表征👧，實驗超構透鏡的特雷爾比為0.77，這甚至比僅位相型超構透鏡仿真的特雷爾比還要高0.07🧜🏽‍♂️，這證明僅實現所需振幅的趨勢和位相要求就足以顯著提高大數值孔徑超構透鏡的調製傳遞函數。

圖2🪻🚻、振幅位相型超構透鏡的形貌表征和性能表征

該工作為大數值孔徑透鏡提供了新的見解，並在高圖像分辨率的光學系統中具備優秀的應用潛力。

恒达平台物理科學與工程學院頓雄特聘研究員和程鑫彬教授為論文共同通訊作者💷，學院博士研究生張健和特聘研究員頓雄為論文共同第一作者。對論文具有突出貢獻的合作者還包括阿蔔杜拉國王科技大學Wolfgang Heidrich教授，恒达平台物理科學與工程學院王占山教授、博士後朱靜遠🖕🏻、博士研究生張占一和馮超等🧑🏻‍🤝‍🧑🏻。

論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsphotonics.2c02029