新加坡科學家3D 打印多層消色差超透鏡，利用雙光子聚合技術

2024年1月3日，南極熊獲悉，來自新加坡科技設計大學的材料科學家利用突破性的 3D 打印方法，在實現(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) 方面取得了重大進展。

相關研究以題為“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。

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展顯示出實現(xiàn)卓越成像性能的前所未有的潛力，在光場成像、生物分析、醫(yī)學、半導體和量子技術等領域得到了應用。特別是，消色差透鏡表現(xiàn)出寬帶響應，能夠捕獲顏色信息，從而擴展了光子器件的設計可能性和應用場景（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) 材料進行圖案化，由于強光限制，這些材料可以提供良好的光學控制，但色散很高，這使得寬帶實現(xiàn)具有挑戰(zhàn)性。

傳統(tǒng)上，平面光學器件在平衡數(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。為解決上述問題，來自新加坡科技設計大學的研究團隊提出了一種設計高數(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。研究人員采用拓撲優(yōu)化和全波長模擬，利用雙光子光刻進行超透鏡的逆向設計。我們成功制備了直徑為20微米的MAMs，在可見光范圍內(nèi)（400至800納米）實現(xiàn)了0.5和0.7 NA，效率高達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)在實現(xiàn)寬帶和多功能元器件逆向設計方面的潛力。

△不同單透鏡和多層透鏡的消色差性能。(A) 設計師 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)和平面光學透鏡 [包括菲涅爾透鏡、多級衍射透鏡 (MDL) 和超透鏡] 的示意圖。 (C) 添加附加層時，波長為 400、533 和 800 nm 時焦點的演變（結(jié)果來自 0.5-NA MAM 的優(yōu)化三層設計）。 (D) 各種消色差超透鏡的效率、數(shù)值孔徑和帶寬（在可見光波段工作）（表 S1 和 S2 中的詳細信息）（2,3, 13, 15, 16, 25, 28, 47, 51–55 ）。顏色條和標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�；疑�平面表示帶寬 = 300 nm 和 NA = 0.35 時的先前限制。圖例中說明了每種超透鏡的 NA 值。

這一突破在于應用納米級 3D 打印來克服與多層消色差超透鏡相關的制造挑戰(zhàn)。該技術可以快速制作復雜結(jié)構(gòu)的原型，包括復雜的微透鏡和梯度折射率透鏡。拓撲優(yōu)化發(fā)揮了至關重要的作用，有效地實現(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)出無與倫比的效率。通過消除色差，這些超透鏡為設計和制造多功能寬帶光學元件提供了新的范例。這種創(chuàng)新方法為光場成像、生物分析、醫(yī)學和量子技術的應用開辟了途徑。

△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)和細節(jié)。（圖片來源：Cheng-Feng 等人）

展望未來，該研究預計將更高分辨率的 3D 打印方法與高折射率樹脂相結(jié)合，以進一步提高系統(tǒng)的性能。這一進步可以將響應范圍從可見光譜擴展到近紅外或中紅外范圍，從而有助于開發(fā)復雜的多功能光學系統(tǒng)。