近日，永利集团理工学院光电工程系陈振强、李真科研团队在国际权威学术期刊《Advanced Optical Materials》（IF = 10.050）发表题为“A Global Phase-Modulation Mechanism for Flat-Lens Design”的研究成果。该研究论文提出研制多功能超薄（60 nm）平面透镜的新机制。理工学院光电工程系张薪和呼燕文为共同第一作者，付神贺教授和李真研究员为论文共同通讯作者。

透镜作为光学系统的基础元件广泛应用于各个领域。现代光学系统小型化和集成化趋势要求光学透镜具有多功能、片上易集成等特性。然而，传统透镜由于其调控机制依赖于体折射材料中的光程累积而无法满足这一需求。近十年来，研究人员提出超构表面的概念，并深入揭示其对光场的调控机制，其中包括超构局部单元的共振与非共振工作机制，这些新颖的物理机制为平面超薄透镜的设计与实验研制提供了全新平台。然而，共振型超透镜强烈依赖于入射光波长，严重限制了其工作带宽。非共振型超透镜包括几何相位型和传播相位型超透镜：前者依赖于特定的入射偏振态，后者则要求局部单元具有严格的几何构型和横纵比，这给微纳加工带来极大挑战。此外，超构表面（局部）单元对入射光场模态极其敏感，限制了多功能平面透镜的研制。

图1 多功能超薄平面透镜的示意图

    图1演示了平面光场、涡旋光场、矢量光场的聚焦过程，以及傅里叶变换功能，利用该平面透镜，能够实现空间任意结构光场的聚焦。

在这项工作中，该科研团队提出全局调控机制，演示了一种超薄平面透镜的设计原理。首先，研究者利用球面波与角度余弦波进行干涉，产生具有柱对称分布的空间几何结构。该几何对称结构具有拓扑保留特性，即入射光场的偏振或相位拓扑结构能够在聚焦平面内得以恢复，该结构的拓扑特性是实现多功能平面透镜的关键要素。其次，研究者提出振幅二进制编码技术，即对复杂干涉条纹进行二值化处理，产生仅含振幅信息的二进制全息图。利用该编码技术，研究者研制了厚度仅为60 nm的超薄平面透镜。该工作原理是将聚焦平面波整体编码至超薄平面结构中，有效规避了局部相位调制带来的问题，降低了超薄平面透镜的复杂性和制造成本，同时也丰富了透镜的功能。

图1显示了平面透镜的典型几何结构，利用该结构，研究者同时演示了不同入射光场的聚焦特性，其中包括平面光场、涡旋光场和矢量光场的聚焦特性。进一步，研究者演示了该平面结构的傅里叶变换性能：即对具有复杂相位结构的Airy光场进行傅里叶变换，产生具有“自加速无衍射”传播特性的光场结构，如图2（a）所示。此外，研究者还演示了超薄平面透镜的显微成像能力，如图2（b, c, d）所示，其分辨能力取决于所研制平面透镜的数值孔径。综上，该科研团队演示了多功能超薄平面透镜的工作原理，其工作带宽不受限制，有望在光学信息处理、显微成像、集成光学等领域产生应用。

图2 超薄平面透镜的傅里叶变换和显微成像功能。图（a）为对复杂相位结构的傅里叶变化，产生具有自加速无衍射传播特性的Airy光场；图（b, c, d）为显微成像的应用，其分辨率取决于平面透镜的数值孔径。

该研究得到了国家自然科学基金项目、博士后科研基金项目、广东省重点项目和广州市科技项目的资助。论文链接：https://doi.org/10.1002/adom.202202270