3D打印近红外高数值孔径消色差超透镜的逆向设计与性能研究

为解决传统折射透镜体积大、数值孔径(NA)低及宽带聚焦效率不足等问题，上海大学联合国际团队通过逆向设计方法开发出基于双光子聚合(2PP)技术的3D打印消色差超透镜(metalens)。该器件在1360-1740 nm波段实现0.8 NA和53.6%平均聚焦效率，厚度仅3.6μm，为航空航天微型光学系统提供创新解决方案。

　　

在光学技术飞速发展的今天，传统折射透镜的局限性日益凸显——笨重的体积、有限的数值孔径以及难以克服的色差问题，严重制约了微型光学系统的发展。特别是在航空航天、医疗成像和消费电子等领域，对轻量化、高性能光学器件的需求愈发迫切。传统透镜依赖相位累积原理，其尺寸往往远大于工作波长，而衍射光学元件又存在显著的色差和低效率问题。这些技术瓶颈促使科学家们将目光投向了一种革命性的解决方案——超透镜(metalens)。

超透镜通过亚波长结构实现对光场的精确调控，具有体积小、设计自由度高等优势。然而，要实现兼具高数值孔径(NA>0.7)和宽带消色差特性的超透镜仍面临巨大挑战：一方面需要突破低折射率材料的光学性能限制，另一方面还需解决复杂微纳结构的加工难题。针对这些问题，上海大学韦鹤明团队联合美国西北大学等机构，在《iScience》发表了题为"3D printed near-infrared high-numerical aperture achromatic metalens"的研究论文，报道了一种通过逆向设计结合双光子聚合(2PP)技术制备的高性能超透镜。

研究团队采用逆向设计框架结合正则化近似方法，开发了基于惩罚函数逼近的优化算法。关键技术包括：(1)目标优先逆向设计(objective-first inverse design)方法，将Maxwell方程作为目标函数；(2)最小最大优化(minimax optimization)策略，确保1510-1610 nm波段性能均衡；(3)双光子聚合3D打印技术，实现50μm直径器件的纳米级加工。

金属逆向设计框架
研究建立了以磁场H和介电常数ε为变量的优化模型，通过交替优化解决方程3的线性最小化问题。创新性地引入二元系数B（公式5）和正则化项（公式7），在保证0.79 NA的同时，使结构变量收敛至可加工的二元分布。相较于传统正向设计，该方法将300次仿真耗时控制在单台16核Intel i9计算机数小时内完成。

实验结果
制备的超透镜在19μm焦距下展现出优异性能：(1)聚焦效率在1360-1740 nm波段达38%-56%，1510-1610 nm实测平均效率50.4%；(2)平均半高宽(FWHM)1.27μm，接近衍射极限；(3)厚度仅3.6μm，较传统透镜缩小两个数量级。通过轮廓偏移分析发现，+100nm的制造公差反而能提升性能，因此预先将模型缩小50nm以补偿加工膨胀效应。

讨论与意义
该研究突破了低折射率聚合物(n=1.52@1550nm)的光学性能限制，通过增加设计自由度而非多层堆叠实现消色差，为微型光学系统提供新范式。虽然算法目前仅适用于单材料设计，但展示的逆向设计-3D打印技术路线，为智能传感、微型无人机等领域的超透镜应用奠定基础。作者Heming Wei指出，这项工作"为人工智能时代的智慧城市、工业5.0提供了关键光学技术支撑"。

研究也存在一定局限：如多材料兼容性不足、加工效率待提升等。未来通过开发多尺度设计算法和并行加工工艺，有望进一步推动超透镜在虚拟现实(VR)、内窥镜等领域的实用化进程。