新加坡科学家3D 打印多层消色差超透镜，利用双光子聚合技术

2024年1月3日，南极熊获悉，来自新加坡科技设计大学的材料科学家利用突破性的 3D 打印方法，在实现高数值孔径、宽带和偏振不敏感的多层消色差超透镜 (MAM) 方面取得了重大进展。

相关研究以题为“3D-printed multilayer structuresfor high–numerical aperture achromatic metalenses/用于高数值孔径消色差超透镜的 3D 打印多层结构”的论文被发表在《Science Advances》期刊上，由Cheng-Feng等人联合撰写。

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adj9262

超透镜在微观和宏观尺度上的最新进展显示出实现卓越成像性能的前所未有的潜力，在光场成像、生物分析、医学、半导体和量子技术等领域得到了应用。特别是，消色差透镜表现出宽带响应，能够捕获颜色信息，从而扩展了光子器件的设计可能性和应用场景（1-12）。超紧凑、超薄和轻量等理想特性使超透镜在成像系统中引人注目 (13-19)。然而，大多数超透镜采用高折射率 (HRI) 材料进行图案化，由于强光限制，这些材料可以提供良好的光学控制，但色散很高，这使得宽带实现具有挑战性。

传统上，平面光学器件在平衡数值孔径和带宽限制方面面临挑战，从而限制了其成像性能。为解决上述问题，来自新加坡科技设计大学的研究团队提出了一种设计高数值孔径、宽带和偏振不敏感的多层消色差超透镜（MAMs）的新方法。研究人员采用拓扑优化和全波长模拟，利用双光子光刻进行超透镜的逆向设计。我们成功制备了直径为20微米的MAMs，在可见光范围内（400至800纳米）实现了0.5和0.7 NA，效率高达42%。结果展示了所制备MAM在白光和RGB窄带照明下的宽带成像性能，这些结果突显了3D打印多层结构在实现宽带和多功能元器件逆向设计方面的潜力。

△不同单透镜和多层透镜的消色差性能。(A) 设计师 3D 打印多层消色差超透镜 (MAM) 的示意图。 (B) 单层和多层的传统和平面光学透镜 [包括菲涅尔透镜、多级衍射透镜 (MDL) 和超透镜] 的示意图。 (C) 添加附加层时，波长为 400、533 和 800 nm 时焦点的演变（结果来自 0.5-NA MAM 的优化三层设计）。 (D) 各种消色差超透镜的效率、数值孔径和带宽（在可见光波段工作）（表 S1 和 S2 中的详细信息）（2,3, 13, 15, 16, 25, 28, 47, 51–55 ）。颜色条和标记尺寸代表定义为效率、NA 和带宽平方和的平方根的数字或优点。灰色平面表示带宽 = 300 nm 和 NA = 0.35 时的先前限制。图例中说明了每种超透镜的 NA 值。

这一突破在于应用纳米级 3D 打印来克服与多层消色差超透镜相关的制造挑战。该技术可以快速制作复杂结构的原型，包括复杂的微透镜和梯度折射率透镜。拓扑优化发挥了至关重要的作用，有效地实现了稳定、多层和高分辨率的结构。

多层消色差超透镜表现出无与伦比的效率。通过消除色差，这些超透镜为设计和制造多功能宽带光学元件提供了新的范例。这种创新方法为光场成像、生物分析、医学和量子技术的应用开辟了途径。

△所制造的 MAM 的倾斜视图 SEM 图像：(i)解构的 MAM，显示单层、双层和三层（全层）；(ii) 完整 MAM 的放大视图；(iii) MAM 的俯视图和尺寸；(iv 和 v) MAM 剖面图，揭示了200 nm 宽环结构的内部结构和细节。（图片来源：Cheng-Feng 等人）

展望未来，该研究预计将更高分辨率的 3D 打印方法与高折射率树脂相结合，以进一步提高系统的性能。这一进步可以将响应范围从可见光谱扩展到近红外或中红外范围，从而有助于开发复杂的多功能光学系统。