新进展！中波红外大尺寸、高效率超透镜

日常生活中人们通过颜色与明暗差异来识别物体，感知空间维度上的物质信息。与人类的眼睛只能感知可见光不同，一些生物能够接收到人类看不到的图像信息，例如虾姑能够感知紫外与红外波段而乌贼可以通过独特的眼睛构造识别偏振信息。

　　从描述光子本征属性的维度出发，光子除了具有强度维度外，还具有波长、偏振、拓扑荷等多种维度属性，其中一组正交的物理量可以作为无串扰的图像信息通道从而携带不同的外部信息。如虾姑与乌贼，其独特的图像感知能力使其能够看到人眼所看不到的信息，帮助其更好地完成捕猎、躲避危险、与同伴交流等活动，从而获得生存优势。

　　人类利用光学器件同样能够获得更卓越的“人工视觉”。如常用于地球遥感的红外偏振相机，通过波长与偏振的调制能够筛选识别出复杂环境下的具有红外与偏振特征的目标物。然而现阶段传统器件依然存在的问题是，为了实现多维度的感知功能，往往需要多种光学元件进行级联组合，导致器件体积、重量庞大，同时也引起了能量的损失与图像信息的误差累计。因此，可以说虽然人们制造的“人工视觉”光子器件已经实现了远超自然界的绝对性能，但在体积与集成性方面，相对于虾姑与乌贼精巧的视觉器官，传统器件依然没有超越自然界数十亿年的进化。

　　中国科学院上海技术物理研究所李冠海、陈效双、陆卫课题组与澳大利亚新南威尔士大学Andrey Miroshnichenko教授合作利用超构单元像素级的光场多维度调控能力，基于与传统硅基半导体工艺兼容的全硅双折射超表面体系在中波红外范围实现了色散调控模式下的波片式偏振解耦宽带中红外成像光子器件，能够实现比昆虫复眼更小尺寸下的光场调控与成像。

　　经过设计的光子成像器件由于像素级单元在波长-偏振维度的双重衍射效果设计，能够将正交偏振通道上的不同图像汇聚到不同的深度上，从而为后续级联的光处理器件与电处理器件提供了直接的物理接口。同时，研究团队也实现了消色差与消偏振的微型中红外光子成像器件，实现了集成的宽谱消偏振成像。值得注意的是，其不仅能够在工作波段内同时采集两个正交通道上的图像信息，同时其单元的结构排布角度，能够消除大入射角下的偏振效应，从而提升图像的准确度。

　　研究者相信，该研究成果将会为研究相对比较匮乏、难度较大但具有广泛应用前景的中波红外光电探测领域提供新的契机，该研究成果有望在自由空间量子通信、三维激光雷达、航空遥感等领域得到应用。

　　该研究得到了科技部重点研发计划量子调控和量子信息专项、纳米专项、国家自然科学基金委、上海市科委启明星项目、中国科学院青年创新促进会等项目的支持。

图1 (a)不同正交偏振通道的消色差超透镜示意图；(b)用于不同偏振态调控的单元数据图；(c)超表面单元在不同波长及偏振下的等效折射率、透过率与相位分布示意图；