超透镜是实现透镜成像功能的光学超表面，它可以通过亚波长人工结构的组合排列对入射光的相位等参量进行局域调控，形成聚焦波面对应的相位分布，从而实现透镜聚焦或成像的功能。超透镜是超轻超薄的平面结构，可以实现高集成度的成像系统，并有望彻底颠覆传统光学系统中繁琐的透镜组。在超透镜诸多功能中，变焦成像是非常关键功能之一，尽管已有一些方法和技术被尝试，但如何实现超透镜在可见光波段的主动变焦成像目前仍是一个巨大的挑战。光子轨道角动量（OAM）是一种新颖的光场调控维度，携带OAM的涡旋光束具有螺旋型相位波前，具有相位因子exp（ilθ），其中l为OAM拓扑荷数。由于其空心光束具有中心相位奇点，同时不同拓扑荷之间保持本征正交无串扰的物理属性，有望为微粒操控、超分辨显微、大容量光通信等领域提供全新的技术手段，因此受到广泛关注，尤其为光学超透镜的设计和变焦功能的实现提供了新的思路。
近日，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心微加工实验室的李俊杰研究组和纳米物理与器件重点实验室的顾长志研究组（N10）合作，在前期建立的原子层组装加工三维氧化钛(TiO2)纳米结构阵列工艺及其超表面设计和应用基础上（Nano Today, 2021, 38, 101145；Adv. Optical Mater. 2022, 10, 2101842；Micromachines. 2022, 13, 856），提出了一种基于轨道角动量(OAM)的多波段选择解码方法，通过全介质TiO2超表面结构的独特设计，实现了可见光频段多路复用的主动变焦超透镜。
研究团队采用具有面内C2旋转对称性的TiO2高深宽比纳米鳍结构成功实现了较高的转极化效率，同时还利用旋转中附加的Pancharatnam Berry (PB)相位实现2π范围的有效相位调控。为了实现对携带OAM的入射圆偏振光进行解码，该超透镜的设计中借鉴了螺旋相位板的工作原理，相位分布在满足聚焦公式的基础上附加不同通道的螺旋相位。超透镜设计中包含了四个OAM通道，对应四个焦距深度的聚焦。当入射光携带的OAM拓扑荷数l与超透镜中通道设计的螺旋相位模式l’互为相反数时（l=l’），该通道获得解码。因此，四种OAM入射可以实现超透镜在四个焦距位置上的聚焦，通过切换入射光携带OAM的模式即可以实现切换焦距的功能，并以532nm（绿光）和633nm（红光）波段为例，可获得了5mm至35mm的四个焦点。在上述设计基础上，该团队利用高压电子束光刻和原子层沉积及刻蚀技术，制备出了特征尺度84nm、宽深比超过10:1、直径为0.5mm的超透镜，光学测试结果验证了该超透镜设计的变焦功能，实现了7倍焦距的变化，总聚焦效率达49%。图1a-c中展示了透镜的制备效果图，结构尺寸均一且侧壁光滑平整保证了良好的实验质量。为了测试透镜的聚焦效果，设计了图1d中的测试光路，其中入射光携带的角动量由空间光调制器（SLM）提供。图2、图3展示了532nm和633nm入射下的焦距和焦距尺寸，同时根据焦距前后临界位置计算了不同焦点处的景深（DOF）。焦斑呈现甜甜圈状的空心分布，并且随着数值孔径的变化和OAM的不同产生一定的扩散同时焦点附近具有的较大景深保证在实际应用中发挥更大更稳定的效果。
该研究成果以“Active Multiband Varifocal Metalenses Based on Orbital Angular Momentum Division Multiplexing”为题，2022年07月发表于《Nature Communications》上在线。N10组的博士生郑睿瑄为第一作者，李俊杰和顾长志研究员为共同通讯作者，北京理工大学的黄玲玲教授和蒋强博士在样品光学测试方面提供了支持和帮助。
该研究得到了科技部、国家自然科学基金委员会、中国科学院和北京市科委的项目资助。
图1. a超透镜的光学显微镜照片；b-c超透镜的SEM照片；d实验测试测试光路
图2. a 532nm处的聚焦光斑照片；b 测试数据统计以及计算景深
文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-32044-2
文章DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-022-32044-2