超構光學對光前所未有的控制能力，也拓寬了光學測試所需的參數(shù)空間！哈佛大學Capasso研究小組開發(fā)出了寬帶消色差RGB金屬透鏡，并使用NKT Photonics公司的SuperK超連續(xù)譜白光光纖激光器對其性能進行了驗證，成功實現(xiàn)多波長高效成像，為VR/AR、顯微成像等領域帶來全新可能。
翻譯：于國瑞
校對：陳德璽、楊睿
 不斷增加的超構光學復雜性 

在過去十年中，超構光學 [1] 取得了重大突破。簡而言之，多種光學功能，例如取決于波長、偏振、自旋和入射光角度的功能，都可以被設計到單個平面光學元件中，而且無需像傳統(tǒng)光學元件那樣體積龐大。

實現(xiàn)有效超構光學元件的先決條件包括：
?其準確的性能仿真；
?所設計的器件能夠在現(xiàn)有制造技術的范圍內(nèi)生產(chǎn)出來。

從一開始就解決這兩個問題的方法成為應用領域的新的范例[2]。或許隨著光學元件復雜性的增加，還有一個額外需要注意的問題，那就是測試要求也會隨之多樣化。例如，當超構光學元件要提供寬帶消色差性能時，就需要在目標光譜范圍內(nèi)通過測試和測量來驗證仿真結果。寬帶光纖耦合激光源可以在這樣的光譜范圍內(nèi)提供一致的光束參數(shù)性能。

 技術突破：平面透鏡也能“消色差” 

Li等人[2]展示了一種計算效率高的逆向設計方法，用于復雜的毫米甚至厘米級3D超構光學元件[3]，這種方法可以自然地考慮到制造限制。

為了展示他們的方法，該團隊首先模擬并在熔融石英基板上制造了兩個直徑為2毫米的RGB消色差金屬透鏡，隨后將這些元件用于光纖掃描近眼VR和AR成像配置中。

FIGURE   電子束制造超構透鏡的掃描電鏡圖像

大規(guī)模的超構光學元件可以使用納米壓印光刻技術制造到表面上或內(nèi)部，或者像在這種特殊情況下一樣，使用電子束光刻技術。也可以采用與CMOS兼容的制造技術[4]。

“NKT Photonics光子公司的SuperK超連續(xù)譜白光光纖激光器對我們團隊開展的眾多不同的超構光學項目的光譜性能驗證來說是一大福音。”
—— 李趙毅博士（哈佛大學約翰?A?保爾森工程與應用科學學院）

 驗證利器：超連續(xù)譜激光光源 
在預期色域極值處的RGB值（此次測試中為470、548、648nm）下對成像性能進行了驗證。為此，作者使用了NKT Photonics公司的SuperK超連續(xù)譜白光光纖激光器和可以在每個波長處獲得最小線寬（≈10nm）的SuperK VARIA可調(diào)濾波器。

通過組合RGB波長（在這種情況下，每個激光二極管的線寬≈1nm）的獨立和單個激光二極管的輸出，也可以得到合成的黃色、青色和品紅色“波長”。

FIGURE  RGB-消色差超透鏡在藍、綠、紅及復合RGB（合成白光）光照下對USAF分辨率目標的成像

對于VR和AR原理驗證裝置，再次使用了SuperK白光光纖耦合激光器，同樣是在預期的RGB波長下。通過對多個光纖耦合RGB通道進行多級時間和空間調(diào)制，作者能夠展示單色、三色和七色3D效果的VR圖像。

FIGURE  通過對單個或多個SuperK白光激光波長進行多級調(diào)制實現(xiàn)的單色、三色和七色3D效果VR圖像

 總結 

這項研究的關鍵成果在于，利用一種超構光學設計方法，能夠在寬光譜范圍內(nèi)實現(xiàn)清晰的消色差成像和顯示，該方法顯著降低了計算成本，同時考慮到了制造的限制。

作者計劃探索相關物理原理、設計方法以及制造技術，這些共同助力高性能大規(guī)模超構元件在應用中的下一次突破。

在這種情況下，SuperK超連續(xù)譜白光光纖激光器是用于消色差驗證測試的理想且靈活的表征工具，它可以在所有要測試的波長下提供可預測的光學特性，從而有助于確保結果的可靠性。

 NKT SuperK的優(yōu)勢 

NKT SuperK超連續(xù)譜白光激光器是表征先進光學元件、超材料、等離子體等的理想選擇。它像燈一樣光譜范圍寬，又像激光一樣亮度高。在整個390 - 2400nm區(qū)域內(nèi)，它能夠提供高亮度的衍射極限光。通過添加我們的一個濾波器，您可以將其變成一臺超可調(diào)諧激光器。它無需維護，全光纖架構確保了出色的可靠性和上萬小時的使用壽命。

參考文獻
[1] Principles, Functions, and Applications of Optical Meta-Lens

[2] Meta-optics achieves RGB-achromatic focusing for virtual reality

[3] Inverse design enables large-scale high-performance meta-optics reshaping virtual reality

[4] Large area metalenses: design, characterization, and mass manufacturing