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近日，英国赫瑞瓦特大学陈宪忠教授团队提出了一种基于多焦元透镜设计方案来控制不同波长光束色散的新方法。 当工作距离仅为 300 μm 时，波长为 500 ~ 679 nm。 在可见光范围内实现了纳米分辨率的光谱识别，为片上光谱仪的发展提供了新的思路。

研究背景

色散现象在自然界中广泛存在，通常是由于材料的折射率随入射光波长的变化而引起的。 色散是各种基础研究和实际应用中不可避免的考虑因素，例如最先进的显微镜、计量仪器、照相机和光纤中的脉冲展宽。 一方面，色散的存在会使多色光在传输过程中消失，造成通信中的串扰使信号失真，或在成像过程中引入色差，降低成像质量； 另一方面，色散在光谱学中也很重要。 光谱分析仪等重要应用需要色散增强以提高分辨率。 色散的消除和增强在很多基础研究和工业应用中都非常重要，如何精确控制色散是当前的热点问题。

传统的色散控制通常需要多种不同材料制成的色散元件组合（如衍射光栅、透镜、棱镜等），每引入一个不同材料制成的色散元件就可以对整个系统进行色散控制. 更多的自由度。 然而国产光纤光谱仪，色散控制系统中引入的控制色散的元器件越多，精确对准的难度就越大，使得色散控制系统体积庞大、复杂，难以满足当前片上领域的需求。光子集成。 与传统的色散控制方法形成鲜明对比的是，由亚波长纳米结构构成的光学超表面可以引入有效色散，通过结构几何参数和排列的制定实现色散控制和管理。 近年来，纳米加工技术的快速发展解决了超表面器件加工的难题，大大提高了超表面的工作效率。 超曲面的均匀高度轮廓也大大降低了控制色散所需的光学对准挑战。

面对片上光子集成领域对高分辨率光谱分析的迫切需求，超表面的色散特性和超轻超薄特性为片上光谱仪的发展提供了新的思路。 片上光谱仪在医疗保健、食品安全监测、芯片实验室（Lab-on-a-chip）等领域也具有巨大的应用潜力，尤其适用于开发小型化、便携、可穿戴的智能设备。传感装置。 鉴于此国产光纤光谱仪，来自赫瑞瓦特大学的陈宪忠团队提出了一种基于多焦点超透镜设计方案来控制不同波长光束色散的新方法。 当工作距离仅为 300 μm 时，波长为 500 ~ 679 nm。 在可见光范围内实现了纳米分辨率的光谱识别。

研究创新

作者团队基于多焦元透镜模型，将波长信息纳入元透镜的相位分布，设计了一种可以将不同波长的光束分离并汇聚在焦平面上预设位置的多焦元透镜，实现了超透镜的功能。光谱仪。 超表面光谱仪的工作距离仅为 300 μm（超透镜的设计焦距），并在 500-679 nm 的可见光范围内实现纳米级光谱分辨率。 图 1 显示了超表面光谱仪的示意图，其中入射多色光束的波长信息可以精确映射到焦平面中圆环上的不同位置。 圆环由多个不同波长的焦点组成，每个焦点的方位角对应一个入射波长。 对于入射的单色光，对应波长焦点附近的相邻波长焦点也会因色散不充分而使光束会聚，但可以通过最大强度亮点的位置准确识别入射波长。 在多色光入射下，通过分析归一化光强在环上的分布，可以得到合成多色光束的各中心波长。

图 1. 基于多焦点超透镜的超表面光谱仪示意图

图2显示了在由510 nm、581 nm和633 nm波长组成的多色光入射下超表面光谱仪焦平面上的强度分布和光谱分析结果。 强度分布的实验结果与仿真结果基本一致。 通过对不同波长的视差函数补偿后聚焦环上的光强分布进行分析，可以得到相对误差小于0.5%的多色光中心波长的识别结果。 此外，超表面光谱仪在单色和多色光入射下均可实现 1 nm 的高分辨率波长检测。

图 2 由 510 nm、581 nm 和 633 nm 波长组成的多色光束入射下超表面光谱仪焦平面上的强度分布和光谱分析结果

所提出的光谱仪不仅可以准确检测入射光的中心波长，而且具有识别光谱线宽的可能性。 作者团队提出以极窄线宽的单频光束入射得到的光强分布为基准，通过标定不同线宽光谱产生的光强差来识别待测光谱的线宽。 此外，处理更大尺寸的超表面可以使所提出的光谱仪实现更准确的线宽检测甚至连续光谱识别。 图 3 显示了通过更大规模的超表面光谱仪识别具有不同线宽的高斯光谱形状。 理论上，可以准确识别光谱线宽。 此外，处理更大尺寸的超表面也有助于提高超表面光谱仪的分辨率和工作带宽。

图 3 大型超表面光谱仪检测光谱线宽

总结与展望

本研究基于超透镜的固有色散和多焦特性设计并通过实验证明了一种超表面光谱仪。 在这项工作中，每个焦点会聚波长的独立设计为光谱仪色散控制提供了新的自由度。 所提出的超表面光谱仪在可见光范围内实现了纳米级光谱分辨率。 该设计方法灵活且稳健，为控制多色光入射所需色散提供了一种新方案。 该设计有望促进片上光谱分析、信息安全和信息处理等诸多应用领域的发展。

论文信息

研究成果以“Compact multi-foci metalens spectrometer”为题发表在《Light: Science & Applications》上。 来自华北电力大学（保定）的青年教师王若兴博士和赫瑞瓦特大学博士后Ansari Muhammad Afnan博士为该论文的共同第一作者，来自华北电力大学（保定）的陈显忠教授为该论文的共同第一作者。赫瑞瓦特大学，是该论文的通讯作者。

论文地址

‍‍-023-0‍1148-9

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编辑| 袁敬泽

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