浦項科技大學(xué)（POSTECH）的一個研究團隊開發(fā)了一種新穎的多維采樣理論，以克服平面光學(xué)的局限性。他們的研究不僅揭示了傳統(tǒng)采樣理論在超表面設(shè)計中的局限性，還提出了一種創(chuàng)新的抗混疊策略，顯著提升了光學(xué)性能。相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然·通訊》上。

平面光學(xué)是一種通過在超薄表面設(shè)計納米結(jié)構(gòu)來操控納米尺度光線的尖端技術(shù)。與依賴笨重透鏡和鏡片的傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)不同，平面光學(xué)能夠?qū)崿F(xiàn)超緊湊、高性能的光學(xué)器件。這項創(chuàng)新對于縮小智能手機攝像頭尺寸（減少“攝像頭凸起”）和推動增強現(xiàn)實（AR）/虛擬現(xiàn)實（VR）技術(shù)的發(fā)展尤為重要。

超表面是平面光學(xué)最具前景的應(yīng)用之一，它依賴數(shù)億個納米結(jié)構(gòu)來精確采樣和控制光的相位分布。這里的采樣是指將模擬光學(xué)信號轉(zhuǎn)換為離散數(shù)據(jù)點的過程，類似于人類大腦通過每秒快速捕捉多張圖像來生成連續(xù)運動感知的視覺信息處理方式。

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超透鏡中的混疊

然而，傳統(tǒng)采樣方法存在挑戰(zhàn)。當(dāng)采樣率過低時，會出現(xiàn)混疊偽影，導(dǎo)致圖像失真和光學(xué)效率低下。一個眾所周知的例子是“馬車輪效應(yīng)”，即視頻中旋轉(zhuǎn)的車輪由于幀率不足而看起來向后移動或靜止。這種混疊問題是超表面設(shè)計中的一個主要限制，顯著降低了光學(xué)效率和精度。

幾十年來，研究人員一直依賴奈奎斯特采樣定理來預(yù)測和緩解混疊問題。然而，POSTECH團隊發(fā)現(xiàn)，盡管奈奎斯特定理在數(shù)字信號處理中很有用，但它并未充分考慮超表面的光學(xué)復(fù)雜性。雖然奈奎斯特理論有效地定義了數(shù)字信號處理的頻率限制，但它無法準(zhǔn)確預(yù)測或防止超表面中的光學(xué)失真，因為超表面必須同時考慮復(fù)雜的納米結(jié)構(gòu)和光的波動特性。

為了解決這一局限性，該團隊開發(fā)了一種新的多維采樣理論，結(jié)合了超表面的二維晶格結(jié)構(gòu)和光的波動特性。他們的研究首次揭示了超表面納米結(jié)構(gòu)晶格與其光譜分布之間的幾何關(guān)系在決定光學(xué)性能中起著關(guān)鍵作用。通過調(diào)整晶格旋轉(zhuǎn)并集成衍射元件，團隊提出了一種抗混疊策略，最大限度地減少了噪聲并增強了對光的控制。利用這種方法，他們成功降低了從可見光到紫外波長的寬光譜范圍內(nèi)的光學(xué)噪聲，并展示了在紫外波段工作的高數(shù)值孔徑（NA）超透鏡和廣角超全息圖。

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混疊超透鏡

這項研究不僅重新定義了光學(xué)超表面的理論框架，還放寬了制造限制，使高分辨率紫外和高數(shù)值孔徑超表面更加可行。

Junsuk Rho教授強調(diào)了他們發(fā)現(xiàn)的重要性：“這項研究為下一代平面光學(xué)設(shè)備（包括高數(shù)值孔徑超透鏡和廣角超全息圖）開辟了新的可能性。我們新開發(fā)的采樣理論具有高度通用性，涵蓋了從微波到極紫外的波長范圍。短波長紫外光學(xué)需要極其精確的制造，使得這一領(lǐng)域的研究極具挑戰(zhàn)性。然而，我們的發(fā)現(xiàn)顯著緩解了這些制造需求，為紫外超表面開辟了新的機遇。”

該研究由Rho教授（機械工程系、化學(xué)工程系、電氣工程系和融合科學(xué)技術(shù)研究生院）以及POSTECH的碩士/博士生Seokwoo Kim、Joohoon Kim、Kyungtae Kim和Minsu Jeong（機械工程系）共同領(lǐng)導(dǎo)。

相關(guān)鏈接：https://dx.doi.org/10.1038/s41467-024-55095-z