多焦点超透镜 | 驱动 3D 测量与波长检测变革

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原文标题：“Multifaceted control of focal points along an arbitrary 3D curved trajectory”

第一作者：Muhammad Afnan Ansari

通讯作者：Xianzhong Chen

在现代光学领域，多焦点超透镜作为一项前沿技术，正展现出令人惊叹的实用价值。它在 3D 光学距离测量中扮演着关键角色。通过精确测定 3D 空间中焦点的坐标，或仔细分析入射光的波长，可轻松获取任意焦点的坐标信息。就像文章中以帕普斯螺旋（Pappus spiral）上的焦点为例，清晰地展示了整个测量过程。在波长检测方面，其优势同样显著。研究表明，对于任意焦点最大强度的光程，这款超透镜都能精准测量未知入射光的波长，据说它甚至能够分辨出小至 2nm 的入射波长变化。

图1 三维多焦点超透镜示意图（来自原文）

那么，多焦点超透镜究竟为何能实现如此强大的功能呢？奥秘就藏在它独特的光学特性之中。当一束具有一定带宽、包含各种颜色的光照射到超透镜上时，会出现奇妙的现象。不同波长，也就是不同颜色的光，会被分别聚焦到不同位置。把这些焦点连接起来，会发现它们形成了一条螺旋曲线。而且，每个焦点处的偏振状态都不一样，并且能通过改变入射光的偏振态来调控。当我们持续调整入射光的偏振态时，焦点就会按照预定轨迹移动，每个焦点都有专属的偏振态。

图2 多焦点超透镜及其相位分布与SEM（来自原文）

如此神奇的功能离不开对超透镜相位分布的精心设计。首先，依据经典的等光程方程关系，我们可以计算出产生离轴焦点对应的相位分布，这里的计算和一般焦点在轴上时有所不同。接着，把轨迹对应的复振幅分布相加并取幅角，就能得到多焦点对应的相位分布。之后，再根据线偏振和多波长的情况对相位分布进行调整，最终得到所需的相位分布。而这样的相位分布是通过具有不同旋转角度的几何相位元原子来实现的。