4月27日，我院卢文龙教授团队在国际权威期刊《Nature Communications》发表题为“Ultra-dispersive metasurfaces enabled by convergence-phase design using simplified nanopillar arrays（基于简化纳米柱阵列的收敛相位设计方法实现超色散超表面）”的研究成果。团队突破了经典的超表面相位调控理论，创新性地提出了一种用于操控超色散光场的相位收敛设计方法，克服了超表面色散光场范围受限于纳米结构相位调控能力这一限制，采用极简的纳米结构实现了1200π的超大相位调控范围和大色散量程（相较现有方法提升30倍以上），研制了13mm量程（现有方法通常不足500μm）的微型色散共焦传感器，轴向分辨力达50nm。该项技术在智能微型共焦传感、超景深成像等方面具有广泛的应用前景，可服务于航空发动机整体叶盘测量、航空发动机主轴微孔测量以及航天器推进系统微流道测量等领域。我院2021级博士生吴运权、2023级博士生曹志晨和北京航空航天大学王浩教授为共同第一作者，我院卢文龙教授、新加坡科技设计大学Joel K. W. Yang教授为本论文共同通讯作者。
超表面因其优异的光学性能和紧凑轻巧的结构，为克服传统光学系统在色散量和尺寸方面的局限性提供了一条极具前景的途径。然而，为满足色散光场对参考波长相位和相位色散的同步调制需求，现有方法依赖于具有严苛制备要求的复杂纳米结构，可实现的色散范围不足500 μm。
面对这一挑战，团队突破传统色散超表面现相位调控机制，将宽波段波长相位与中心波长相位设计为近似相等，宽波段相位调制可简化为等效单波长模型，解决了宽波段色散相位对2π取余循环时出现的相位紊乱问题，实现了1200π的超大相位调控，相较现有方法提升30倍以上（如下图）。
收敛相位设计方法
基于该方法，研究团队采用深宽比小于4、直径大于200nm的极简圆柱结构，制造了直径3.6mm、数值孔径0.15、轴向色散范围高达13.27mm的超色散超表面，平均聚焦效率可达50%。低深径比和亚微米直径圆柱结构无需高分辨率光刻工艺，从而大幅简化了制造难度与成本，为超色散超表面的批量制造与实际应用奠定了理论基础（如下图）。
超色散超表面的表征
该方法的实用性在实际应用验证中得到充分体现。研究团队利用超色散超表面构建了一套光谱层析成像装置，可实现毫米级景深，横向分辨率达到1.095 μm。对人类口腔上皮细胞、双光子聚合打印样品进行了成像实验，结果表明，超色散超表面既能还原样本的精细特征，又能同时获取不同位置的深度信息（如下图）。
超色散超透镜在光谱层析成像中的应用
此外，研究团队还利用超色散超透镜设计了量程分别为2mm、4mm和13mm的系列化微型光谱共焦传感器，相较于商业化传感器尺寸显著缩小。经实验验证，13mm量程传感器轴向分辨率可达50nm。对雷达芯片封装构件和MEMS扫描微镜驱动部件进行了轮廓测量实验（如下图），结果表明该传感器不仅能够捕获MEMS扫描微镜驱动部件的完整轮廓，还能在执行高分辨率局部扫描时分辨柔性铰链的微米级特征，展现出了优异的工程应用可行性。
集成超色散超表面的光谱共焦传感器
该研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、湖北省重点研发计划等项目的资助。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-72332-9
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