应用分享 | NKT超连续谱光源助力超构光学的研究（二）

超构光学对光前所未有的控制能力，也拓宽了光学测试所需的参数空间！哈佛大学Capasso研究小组开发出了宽带消色差RGB金属透镜，并使用NKT Photonics公司的SuperK超连续谱白光光纤激光器对其性能进行了验证，成功实现多波长高效成像，为VR/AR、显微成像等领域带来全新可能。
翻译：于国瑞
校对：陈德玺、杨睿
 不断增加的超构光学复杂性 

在过去十年中，超构光学 [1] 取得了重大突破。简而言之，多种光学功能，例如取决于波长、偏振、自旋和入射光角度的功能，都可以被设计到单个平面光学元件中，而且无需像传统光学元件那样体积庞大。

实现有效超构光学元件的先决条件包括：
✦其准确的性能仿真；
✦所设计的器件能够在现有制造技术的范围内生产出来。

从一开始就解决这两个问题的方法成为应用领域的新的范例[2]。或许随着光学元件复杂性的增加，还有一个额外需要注意的问题，那就是测试要求也会随之多样化。例如，当超构光学元件要提供宽带消色差性能时，就需要在目标光谱范围内通过测试和测量来验证仿真结果。宽带光纤耦合激光源可以在这样的光谱范围内提供一致的光束参数性能。

 技术突破：平面透镜也能“消色差” 

Li等人[2]展示了一种计算效率高的逆向设计方法，用于复杂的毫米甚至厘米级3D超构光学元件[3]，这种方法可以自然地考虑到制造限制。

为了展示他们的方法，该团队首先模拟并在熔融石英基板上制造了两个直径为2毫米的RGB消色差金属透镜，随后将这些元件用于光纤扫描近眼VR和AR成像配置中。

FIGURE   电子束制造超构透镜的扫描电镜图像

大规模的超构光学元件可以使用纳米压印光刻技术制造到表面上或内部，或者像在这种特殊情况下一样，使用电子束光刻技术。也可以采用与CMOS兼容的制造技术[4]。

“NKT Photonics光子公司的SuperK超连续谱白光光纤激光器对我们团队开展的众多不同的超构光学项目的光谱性能验证来说是一大福音。”
—— 李赵毅博士（哈佛大学约翰・A・保尔森工程与应用科学学院）

 验证利器：超连续谱激光光源 
在预期色域极值处的RGB值（此次测试中为470、548、648nm）下对成像性能进行了验证。为此，作者使用了NKT Photonics公司的SuperK超连续谱白光光纤激光器和可以在每个波长处获得最小线宽（≈10nm）的SuperK VARIA可调滤波器。

通过组合RGB波长（在这种情况下，每个激光二极管的线宽≈1nm）的独立和单个激光二极管的输出，也可以得到合成的黄色、青色和品红色“波长”。

FIGURE  RGB-消色差超透镜在蓝、绿、红及复合RGB（合成白光）光照下对USAF分辨率目标的成像

对于VR和AR原理验证装置，再次使用了SuperK白光光纤耦合激光器，同样是在预期的RGB波长下。通过对多个光纤耦合RGB通道进行多级时间和空间调制，作者能够展示单色、三色和七色3D效果的VR图像。

FIGURE  通过对单个或多个SuperK白光激光波长进行多级调制实现的单色、三色和七色3D效果VR图像

 总结 

这项研究的关键成果在于，利用一种超构光学设计方法，能够在宽光谱范围内实现清晰的消色差成像和显示，该方法显著降低了计算成本，同时考虑到了制造的限制。

作者计划探索相关物理原理、设计方法以及制造技术，这些共同助力高性能大规模超构元件在应用中的下一次突破。

在这种情况下，SuperK超连续谱白光光纤激光器是用于消色差验证测试的理想且灵活的表征工具，它可以在所有要测试的波长下提供可预测的光学特性，从而有助于确保结果的可靠性。

 NKT SuperK的优势 

NKT SuperK超连续谱白光激光器是表征先进光学元件、超材料、等离子体等的理想选择。它像灯一样光谱范围宽，又像激光一样亮度高。在整个390 - 2400nm区域内，它能够提供高亮度的衍射极限光。通过添加我们的一个滤波器，您可以将其变成一台超可调谐激光器。它无需维护，全光纤架构确保了出色的可靠性和上万小时的使用寿命。

参考文献
[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