3D打印多层结构消色差透镜

平面光学器件由含有高折射率材料的纳米结构制成，用于生产外形纤薄的透镜，这些透镜仅在特定波长下起作用。 材料科学家最近试图实现消色差透镜，以揭示数值孔径和带宽之间的权衡，这限制了这种材料的性能。

在这项工作中，Cheng-Feng Pan 和新加坡和中国工程产品开发、信息技术和计算机工程的科学家团队提出了一种设计高数值孔径、宽带和偏振不敏感多层消色差超透镜的新方法。

材料科学家将拓扑优化和全波长模拟相结合，使用双光子光刻技术逆向设计超透镜。研究团队展示了工程结构在白光和红、绿、蓝窄带照明下的宽带成像性能。

研究结果突出了3D打印多层结构实现宽带和多功能元设备的能力。研究结果现已发表在《科学进展》上，并刊登在该杂志的封面上。

成像性能

超透镜在微观和宏观尺度上的最新进展表明，实现适用于光场成像、生物分析、医学和量子技术等各种应用的卓越成像性能具有重要意义。例如，消色差透镜通过宽带响应来捕获颜色信息，从而扩展了光子器件的设计可能性和应用场景。

这种结构具有超紧凑、超薄、重量轻等特点，非常适合制造用于成像系统的引人注目的超透镜。然而，大多数超透镜采用高折射率材料进行图案化，以提供良好的光学控制，强光使宽带实现具有挑战性。

物理学家将阿贝数作为透镜设计中的品质因数，表示高折射率材料常用的无色散透明材料，并作为实现高效聚焦透镜的公式。

3D打印方法

研究团队通过使用三维打印解决了多层消色差超透镜的制造挑战。纳米级3D打印方法允许在一个光刻步骤中对多层透镜进行图案化，以快速制作复杂结构的原型。使用双光子聚合，科学家们实现了各种3D设计，包括复杂的微透镜、梯度折射率透镜和衍射透镜。

在这项工作中，Pan及其同事使用拓扑优化来实现消色差透镜行为。他们迅速实现了稳定、多层和高分辨率的结构。

由此产生的多层消色差超透镜显示出前所未有的高效性能水平，以整合纳米级高分辨率3D打印的优势，创造出具有卓越性能的超透镜，激发设计和制造多功能宽带光学元件和设备的新范式。

多层消色差超透镜设计及实验结果

多级透镜和多级衍射透镜之间的主要区别在于最小特征的尺寸。

例如，虽然可以设计最小特征尺寸以适应特定尺寸，但需要全波模拟来考虑层间相互作用和散射。通过使用滤波和二值化步骤，研究人员将设计的结构变成了真正的结构。

该团队对样品进行了拓扑优化，并使用 Nanoscale GmbH 光子专业3D打印系统对其进行了成型，该系统具有振镜扫描聚焦光束，以诱导液态树脂在焦点处交联成纳米级固体体素。

科学家们优化了制造方法，以实现接近正常设计的原型，并通过将其放置在分辨率目标上来评估产品的成像质量，其间距为物镜焦距的三倍。

工程超透镜在白光下表现良好，可用于消色差成像应用，显示出超透镜消除色差的无与伦比的能力。科学家们优化了参数，展示了多层消色差超透镜如何表现出高聚焦效率、宽带性能和拓扑优化，从而精确地实现设计的具有纳米级特征的超透镜。

前景展望

通过这种方式，Cheng-Feng Pan和研究团队开发了一种多层超透镜系统，并将每一层视为消色差校正器和聚焦元件。结果表明，基于低折射率材料的堆叠超表面如何克服单层平面光学器件的局限性，在保持高数值孔径的同时，将超透镜的性能扩展到宽带函数。

使用更高分辨率的3D打印方法和高折射率树脂将有助于增加多功能光学系统，该系统具有超出可见光范围的宽带响应范围，以包含近红外或中红外范围。

不同单透镜和多层透镜的消色差性能

不同层数和间距的MAM拓扑优化

MAM的聚焦效率和成像性能