超透镜消色差优化及分层薄膜超透镜的研制

超透镜是利用纳米尺度谐振结构重定向入射光以复现传统折射透镜或透镜阵列行为的超薄光学器件。它们通常由离散的元原子（如纳米介电柱）构成。与传统多片折射透镜对应的消色差聚焦，常尝试用单层超透镜设计实现，但在有界折射率与总透镜厚度下已被证明难以达成。最近一项研究（F.Presutti 与 F.Monticone，2020）对此进行了形式化，将光延迟线限制应用于超透镜，得出了聚焦系统消色差性的广义权衡。本工作中，我们（1）从理论上探究超透镜设计中的消色差性，（2）提出一种薄膜多层设计，作为离散元原子方案的替代，用于大数值孔径（NA）消色差超透镜。研究表明，波前调制也可通过光谱变化的透射幅度实现，而非仅匹配相位分布。事实上，即便折射率有界，给定光谱范围内的完美消色差操作也可由其他处的非完美操作补偿，从而导致 NA 受所控制的最小广义光谱特征限制。这些考量引出一种广义相位匹配优化流程，并模拟了一款薄膜超透镜，其采用分层 TiO2/MgF2、总厚度低于 1 {\mu}m（20 层），在 6 个同时工作的波长上聚焦（350–740 nm，{\Delta}{\lambda}~65 nm）。对于中等 NA（~0.35），相当比例（>40% 光谱平均）的反射光被聚焦。随着光学镀膜工业的成熟，保形薄膜方案降低了相较于离散纳米尺度元原子方案的制造复杂度。