光學(xué)透鏡是光學(xué)與光電子學(xué)中的基本光學(xué)器件之一，已廣泛應(yīng)用于芯片制造、超分辨科學(xué)以及眾多高科技產(chǎn)品，其設(shè)計與制造水平一定程度上代表了光科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展水平。
數(shù)值孔徑是光學(xué)透鏡最重要的基本參量，衡量著光學(xué)系統(tǒng)的收集光子能力。對于顯微物鏡，數(shù)值孔徑越大，成像光斑越小，成像細(xì)節(jié)越清晰。常規(guī)油浸物鏡由于采用了特殊的高折射率匹配液，在高分辨率成像和浸潤式光刻中更被廣泛應(yīng)用。一直以來，各國科學(xué)家為增加透鏡的數(shù)值孔徑爭相努力，不斷取得新的重要進(jìn)展。另一方面，超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)是一種具有橫向亞波長尺度的微納光學(xué)結(jié)構(gòu)，可以在不到一個光學(xué)波長的薄膜結(jié)構(gòu)層上實現(xiàn)全2π相位的精確控制，可靈活調(diào)控光波的電磁波相位、偏振方式、傳播模式等特性。基于該結(jié)構(gòu)的平面超構(gòu)，光學(xué)透鏡有望在百納米厚度的微納結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)超大數(shù)值孔徑顯微物鏡，從而克服傳統(tǒng)光學(xué)玻璃物鏡加工難度大、顯微物鏡多透鏡系統(tǒng)體積大等缺點。
我校物理學(xué)院及光電材料與技術(shù)國家重點實驗室周建英教授、李俊韜副教授、梁浩文副研究員授等以混合自適應(yīng)人工智能優(yōu)化程序設(shè)計出亞波長單晶硅超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了相位的精確控制并減小了單晶硅結(jié)構(gòu)在可見光的吸收。進(jìn)一步使用該結(jié)構(gòu)演示了浸鏡油浸沒下數(shù)值孔徑為1.48的高透過率超構(gòu)光學(xué)透鏡。該項目相關(guān)研究成果以“Ultrahigh Numerical Aperture Metalens at Visible Wavelengths” 為題發(fā)表在Nano Letters, 18 (7), 4460-4466, 2018。刊物審稿人一致認(rèn)定，該光學(xué)透鏡的數(shù)值孔徑為超構(gòu)光學(xué)透鏡中現(xiàn)有報道的最高記錄。此成果在2018年12月美國光學(xué)學(xué)會旗下光學(xué)與光子學(xué)新聞（Optics & Photonics News）入選為本年度國際光學(xué)重要進(jìn)展，并對該成果作了整版報道。此項評比已有36年歷史，代表了當(dāng)今最活躍的光學(xué)前沿研究進(jìn)展。
該研究成果的第一作者為我校物理學(xué)院梁浩文特聘副研究員，通訊作者為李俊韜副教授。本項目得到科技部國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、光電材料與技術(shù)國家重點實驗室、廣州市集成光子系統(tǒng)與應(yīng)用重點實驗室、廣東省自然科學(xué)基金、中山大學(xué)基本科研業(yè)務(wù)費及國家超級計算廣州中心等支持。
