便攜式光學(xué)設(shè)備即將迎來一場革新——由德國耶拿大學(xué)主導(dǎo)的研究團(tuán)隊開發(fā)出一種新型多層金屬透鏡，可同時聚焦多波長非偏振光，為手機(jī)攝像頭、無人機(jī)光學(xué)系統(tǒng)等小型設(shè)備提供高性能解決方案。這項突破性成果發(fā)表于《Optics Express》，其核心在于通過超材料層設(shè)計克服了傳統(tǒng)金屬透鏡的物理限制。

傳統(tǒng)金屬透鏡雖具備超薄特性（厚度僅為發(fā)絲的幾分之一），但其單層結(jié)構(gòu)面臨根本性矛盾：若要實現(xiàn)短焦距，必須犧牲直徑或數(shù)值孔徑。研究團(tuán)隊第一作者約書亞·喬丹指出，單層超表面的最大群延遲導(dǎo)致數(shù)值孔徑、直徑和帶寬的乘積存在理論上限，“當(dāng)需要覆蓋可見光到近紅外的波長范圍時，單層設(shè)計要么直徑過小失去實用價值，要么聚焦能力極弱”。

突破點(diǎn)在于轉(zhuǎn)向多層架構(gòu)。研究團(tuán)隊采用基于形狀優(yōu)化的逆向設(shè)計算法，引導(dǎo)軟件篩選能在特定波長下同時激發(fā)電偶極子和磁偶極子共振的超表面結(jié)構(gòu)。通過優(yōu)化，開發(fā)出圓角方形、四葉草、螺旋槳等形狀的超材料單元，其高度為300納米、寬度1000納米，可實現(xiàn)0至2π的完整相位梯度。這種設(shè)計不僅對偏振不敏感，還顯著提升了制造容差——每層超材料可獨(dú)立加工后組裝，大幅降低工藝難度。

多層結(jié)構(gòu)雖最多支持五種波長的同步聚焦（受限于長波共振與短波衍射的平衡），但其聚光性能已能滿足便攜式成像系統(tǒng)的核心需求。喬丹強(qiáng)調(diào)，該金屬透鏡在保持極小體積和重量的同時，可生成傳統(tǒng)透鏡的環(huán)形聚焦圖案，理論上還能通過調(diào)整超材料單元生成任意聚焦形態(tài)。這種特性使其成為無人機(jī)光學(xué)載荷、地球觀測衛(wèi)星等對空間和重量敏感場景的理想選擇。