新加坡科學(xué)家3D 打印多層消色差超透鏡，利用雙光子聚合技術(shù)

2024年1月3日，南極熊獲悉，來(lái)自新加坡科技設(shè)計(jì)大學(xué)的材料科學(xué)家利用突破性的 3D 打印方法，在實(shí)現(xiàn)高數(shù)值孔徑、寬帶和偏振不敏感的多層消色差超透鏡 (MAM) 方面取得了重大進(jìn)展。

相關(guān)研究以題為“3D-printed multilayer structuresfor high–numerical aperture achromatic metalenses/用于高數(shù)值孔徑消色差超透鏡的 3D 打印多層結(jié)構(gòu)”的論文被發(fā)表在《Science Advances》期刊上，由Cheng-Feng等人聯(lián)合撰寫(xiě)。

論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adj9262

超透鏡在微觀和宏觀尺度上的最新進(jìn)展顯示出實(shí)現(xiàn)卓越成像性能的前所未有的潛力，在光場(chǎng)成像、生物分析、醫(yī)學(xué)、半導(dǎo)體和量子技術(shù)等領(lǐng)域得到了應(yīng)用。特別是，消色差透鏡表現(xiàn)出寬帶響應(yīng)，能夠捕獲顏色信息，從而擴(kuò)展了光子器件的設(shè)計(jì)可能性和應(yīng)用場(chǎng)景（1-12）。超緊湊、超薄和輕量等理想特性使超透鏡在成像系統(tǒng)中引人注目 (13-19)。然而，大多數(shù)超透鏡采用高折射率 (HRI) 材料進(jìn)行圖案化，由于強(qiáng)光限制，這些材料可以提供良好的光學(xué)控制，但色散很高，這使得寬帶實(shí)現(xiàn)具有挑戰(zhàn)性。

傳統(tǒng)上，平面光學(xué)器件在平衡數(shù)值孔徑和帶寬限制方面面臨挑戰(zhàn)，從而限制了其成像性能。為解決上述問(wèn)題，來(lái)自新加坡科技設(shè)計(jì)大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)提出了一種設(shè)計(jì)高數(shù)值孔徑、寬帶和偏振不敏感的多層消色差超透鏡（MAMs）的新方法。研究人員采用拓?fù)鋬?yōu)化和全波長(zhǎng)模擬，利用雙光子光刻進(jìn)行超透鏡的逆向設(shè)計(jì)。我們成功制備了直徑為20微米的MAMs，在可見(jiàn)光范圍內(nèi)（400至800納米）實(shí)現(xiàn)了0.5和0.7 NA，效率高達(dá)42%。結(jié)果展示了所制備MAM在白光和RGB窄帶照明下的寬帶成像性能，這些結(jié)果突顯了3D打印多層結(jié)構(gòu)在實(shí)現(xiàn)寬帶和多功能元器件逆向設(shè)計(jì)方面的潛力。

△不同單透鏡和多層透鏡的消色差性能。(A) 設(shè)計(jì)師 3D 打印多層消色差超透鏡 (MAM) 的示意圖。 (B) 單層和多層的傳統(tǒng)和平面光學(xué)透鏡 [包括菲涅爾透鏡、多級(jí)衍射透鏡 (MDL) 和超透鏡] 的示意圖。 (C) 添加附加層時(shí)，波長(zhǎng)為 400、533 和 800 nm 時(shí)焦點(diǎn)的演變（結(jié)果來(lái)自 0.5-NA MAM 的優(yōu)化三層設(shè)計(jì)）。 (D) 各種消色差超透鏡的效率、數(shù)值孔徑和帶寬（在可見(jiàn)光波段工作）（表 S1 和 S2 中的詳細(xì)信息）（2,3, 13, 15, 16, 25, 28, 47, 51–55 ）。顏色條和標(biāo)記尺寸代表定義為效率、NA 和帶寬平方和的平方根的數(shù)字或優(yōu)點(diǎn)�；疑�平面表示帶寬 = 300 nm 和 NA = 0.35 時(shí)的先前限制。圖例中說(shuō)明了每種超透鏡的 NA 值。

這一突破在于應(yīng)用納米級(jí) 3D 打印來(lái)克服與多層消色差超透鏡相關(guān)的制造挑戰(zhàn)。該技術(shù)可以快速制作復(fù)雜結(jié)構(gòu)的原型，包括復(fù)雜的微透鏡和梯度折射率透鏡。拓?fù)鋬?yōu)化發(fā)揮了至關(guān)重要的作用，有效地實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定、多層和高分辨率的結(jié)構(gòu)。

多層消色差超透鏡表現(xiàn)出無(wú)與倫比的效率。通過(guò)消除色差，這些超透鏡為設(shè)計(jì)和制造多功能寬帶光學(xué)元件提供了新的范例。這種創(chuàng)新方法為光場(chǎng)成像、生物分析、醫(yī)學(xué)和量子技術(shù)的應(yīng)用開(kāi)辟了途徑。

△所制造的 MAM 的傾斜視圖 SEM 圖像：(i)解構(gòu)的 MAM，顯示單層、雙層和三層（全層）；(ii) 完整 MAM 的放大視圖；(iii) MAM 的俯視圖和尺寸；(iv 和 v) MAM 剖面圖，揭示了200 nm 寬環(huán)結(jié)構(gòu)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和細(xì)節(jié)。（圖片來(lái)源：Cheng-Feng 等人）

展望未來(lái)，該研究預(yù)計(jì)將更高分辨率的 3D 打印方法與高折射率樹(shù)脂相結(jié)合，以進(jìn)一步提高系統(tǒng)的性能。這一進(jìn)步可以將響應(yīng)范圍從可見(jiàn)光譜擴(kuò)展到近紅外或中紅外范圍，從而有助于開(kāi)發(fā)復(fù)雜的多功能光學(xué)系統(tǒng)。