用于高数值孔径消色差透镜的3D打印多层结构

平面光学器件由含有高折射率材料的纳米结构制成，可生产仅在特定波长下起作用的薄型透镜。

材料科学家最近试图实现消色差透镜，以揭示限制此类材料性能的数值孔径和带宽之间的权衡。在这项工作中，潘成峰和新加坡和中国工程产品开发、信息技术和计算机工程领域的科学家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的新方法。

材料科学家结合拓扑优化和全波长模拟，使用双光子光刻逆向设计超透镜。研究小组展示了工程结构在白光和红、绿、蓝窄带照明下的宽带成像性能。

结果凸显了3D打印多层结构实现宽带和多功能元设备的能力。研究结果现已发表在《科学进展》上，并刊登在该杂志的封面上。

成像性能

超透镜在微观和宏观尺度上的最新进展对于实现卓越的成像性能具有重要意义，适用于光场成像、生物分析、医学和量子技术的各种应用。例如，消色差透镜表现出宽带响应来捕获颜色信息，以扩展光子器件的设计可能性和应用场景。

这种结构超紧凑、超薄、重量轻，非常适合为成像系统制造引人注目的超镜头。然而，大多数超透镜采用高折射率材料进行图案化，以提供良好的光学控制，而强光使宽带实现具有挑战性。

物理学家将阿贝数作为透镜设计中的品质因数来表示通常用于高折射率材料的无色散透明材料，并作为实现高效聚焦透镜的公式。

3D打印方法

研究团队通过使用三维打印解决了多层消色差超透镜的制造挑战。纳米级3D打印方法允许在一个光刻步骤中形成多层透镜的图案，从而快速制作复杂结构的原型。利用双光子聚合，科学家们实现了多种3D设计，包括复杂的微透镜、梯度折射率透镜和衍射透镜。

在这项工作中，Pan和同事使用拓扑优化来实现消色差透镜行为。他们快速实现了稳定、多层、高分辨率的结构。

由此产生的多层消色差超透镜显示出迄今为止未知的高效性能水平，可以集成纳米级高分辨率3D打印的优势，创建具有卓越性能的超透镜，从而激发设计和制造多功能宽带光学元件和设备的新范例。

多级超透镜和多级衍射透镜之间的主要区别在于最小特征的尺寸。

例如，虽然最小特征尺寸可以设计为适合特定尺寸，但需要全波模拟来考虑层间相互作用和散射。通过使用过滤和二值化步骤，研究人员将设计的结构转变为真实的结构。

该团队对样品进行了拓扑优化，并使用NanoscaleGmbH光子专业3D打印系统进行成型，并使用振镜扫描聚焦光束诱导液体树脂在焦点处交联成纳米级固体体素。

科学家们优化了制造方法，以实现接近正常设计的原型，并通过将其放置在距物镜三倍焦距的分辨率目标上来评估产品的成像质量。

工程超透镜在消色差成像应用的白光下表现良好，显示了超透镜消除色差的无与伦比的能力。科学家们对参数进行了优化，展示了多层消色差超透镜如何表现出高聚焦效率、宽带性能和拓扑优化，从而精确地实现设计的具有纳米级特征的超透镜。

外表

这样，潘成峰和研究团队开发了多层超透镜系统，并将每一层视为消色差校正器和聚焦元件。结果表明，基于低折射率材料的堆叠超表面如何克服单层平面光学的限制，将超透镜的性能扩展到宽带功能，同时保持高数值孔径。

更高分辨率的3D打印方法和高折射率树脂的使用将有助于增强多功能光学系统，该系统的宽带响应范围超出可见光范围，可包含近红外或中红外范围。