偏振无关变焦超透镜实现双模式动态光束调控与自适应成像

本文报道了一种基于莫尔相位调制（Moiré phase modulation）的偏振无关变焦超透镜（varifocal meta-lens），通过双级联超表面实现非衍射型自聚焦（AAF）光束与衍射极限聚焦光束的动态切换与连续调焦。该器件在AAF模式下实现163%的焦距调谐比，在标准聚焦模式下达345%，兼具高分辨率成像（1×–1.95×变倍）与稳定光场传输能力，为便携显微、激光微手术等应用提供了紧凑型解决方案。

　　

引言

随着便携式成像与芯片级光子学的快速发展，对紧凑型、多功能光学系统的需求日益增长。传统光学系统依赖机械调焦与可切换物镜，存在体积大、结构复杂的问题。尽管空间光调制器、液晶透镜等可调光学元件已被广泛研究，但其在分辨率、调谐范围与响应速度等方面存在局限。超表面（metasurface）由亚波长纳米结构组成，可实现对光场的相位、振幅与偏振的精确调控，为动态光场控制提供了新途径。

设计原理

本研究提出的变焦超透镜由两个级联超表面（M1与M2）构成，其叠加相位分布可表示为：

φ = βr3 + 2πγr

其中β与γ为可调参数，r为极坐标下的位置。该相位分布在实空间与空间频率域具有双重解释：实空间中实现标准聚焦，傅里叶变换后则产生非衍射型自聚焦（AAF）光束。通过莫尔调制机制，调节M1与M2的相对旋转角度θ可实现焦距的连续调控。理论分析表明，叠加相位满足：

φ_total = βθr3 + 2πγθr = β′r3 + 2πγ′r

其中β′与γ′为θ的函数。实验中通过插入或移除傅里叶透镜实现两种模式的切换。

结构表征

超透镜工作波长为1310 nm，单元结构为硅纳米柱阵列（周期520 nm，高度800 nm），实现了2π相位覆盖与高透射率。为避免实际加工中间隙引起的相位偏差，对M1的相位分布进行了优化。光学显微镜与扫描电镜图像显示了两片超表面的制备质量，整体透镜直径为1.15 mm。

AAF光束的特性

实验结果表明，AAF光束在θ=60°–150°范围内焦距从6.3 mm调至16.6 mm，调谐比达163%，且焦斑尺寸保持约21 μm（FWHM），表现出非衍射特性。横向光场分布显示其具有贝塞尔光束的环形结构，且具备自愈合能力：即使部分波前被遮挡，焦斑仍能保持完整。

标准聚焦模式性能

在标准聚焦模式下，焦距调谐范围扩展至8.5–37.8 mm（θ=60°–300°），调谐比高达345%。焦斑始终保持在衍射极限以内，并支持1×至1.95×的变倍亮场成像。以数字“2”为目标的成像实验验证了其变焦能力与图像质量。

讨论与结论

该双模式变焦超透镜在调谐范围与功能多样性方面优于现有可调超透镜系统。其AAF模式适用于激光微手术、光学捕获与深组织成像等需长程稳定光场的场景；标准聚焦模式则适用于高分辨率变焦成像。尽管相位分布非理想二次曲面，但可通过计算校正进一步优化成像质量。该设计支持偏振无关操作，且可扩展至其他电磁波段与集成谐振单元（IRU）以拓宽带宽。未来可通过平面超透镜替代传统傅里叶透镜，实现全系统集成，为生物医学与自适应光学 sensing 提供紧凑平台。

实验方法

仿真采用COMSOL有限元法，远场光场通过瑞利-索末菲衍射算法计算。制备流程包括硅层沉积、电子束光刻、铬掩模蚀刻与去胶等步骤。测量使用超连续激光器与AOTF滤光，通过电机旋转台与平移台控制超表面相对位置，近红外CCD采集光场数据。