近日，哈爾濱工業(yè)大學(深圳)徐科教授、宋清海教授課題組，提出一種基于像素編碼的片上數(shù)字型超構透鏡，因其靈活的設計自由度而具備強大的光場調控能力。該工作以折疊級聯(lián)的方式構建了高度緊湊的色散元件，結合重構算法實現(xiàn)了片上集成的高分辨率光譜儀。文章提出的數(shù)字型超構透鏡可顯著提升面內光束聚焦、準直和偏轉能力。所設計的級聯(lián)折疊型超構透鏡組能夠很好地解決傳統(tǒng)色散光譜儀尺寸和分辨率互為矛盾的問題。結合重構算法，該器件以100 μm ×100 μm的緊湊尺寸在近紅外波段超過35 nm的波長范圍內實現(xiàn)了0.14 nm的分辨率，并且可以完成任意光譜的重構和解析。該光譜儀完全通過標準硅光工藝制造，在系統(tǒng)級集成和CMOS兼容性方面具有優(yōu)勢。所提出的超構透鏡結構還可移植到氮化硅或其他光子集成平臺，以輕松擴展到可見光或中紅外波長等波段，為成像、光學計算等其他應用提供有力的光場調控方案。該研究成果以“Folded digital meta-lenses for on-chip spectrometer”為題于2023年4月11日在線發(fā)表在《Nano Letters》上。

隨著物聯(lián)網(wǎng)、消費電子等應用領域的不斷發(fā)展，對光譜儀的小型化提出了更高的要求。近40年里，光譜儀的微型化技術經歷了從基于分立器件技術到集成光學技術的發(fā)展，逐漸趨于低成本和片上集成化。近年來，受到自由空間超構表面波前調控的啟發(fā)，基于超構波導的一些平面內衍射光網(wǎng)絡正在成為片上光波操縱的有力工具。目前已報道的片上超構系統(tǒng)都是基于各單元長度不等的傳輸陣列，結構規(guī)則簡單但設計自由度受限，導致系統(tǒng)集成度和功能的局限性。如何突破設計自由度的限制，是提升片上超構表面光場調控能力以及拓展應用的關鍵。借助超構表面強大的光學操控能力，有望突破傳統(tǒng)片上光譜儀分辨率和器件尺寸相互制約的矛盾。

為了解決設計自由度受限的問題，文章提出了一種基于像素編碼的數(shù)字型超構表面?；舅枷霝榍蠼獬瑯嫳砻婺繕讼辔环植?。為降低算力消耗，我們將目標區(qū)域劃分為多個單元，通過逆向設計對每個單元圖案分別進行編碼，在平面任意區(qū)域實現(xiàn)任意相位響應。與數(shù)字型超構波導在局部區(qū)域內的原位控制不同，本文提出的數(shù)字型超構表面可以整體操縱面內波衍射及其在整個平板區(qū)域內的傳播。這種特性使該結構能夠設計連續(xù)大相位梯度的高色散數(shù)字型超構透鏡，允許光束在緊湊的尺寸內實現(xiàn)聚焦、準直和大角度彎曲等類似幾何光學透鏡的功能。具體設計原理如圖1所示。

圖1. 基于數(shù)字型超構表面的超構透鏡逆向設計原理。(a)超構透鏡在1550 nm處的光彎曲 (θ=45°)和聚焦(f = 19.5 μm)的射線光學演示。(b)透鏡的理想相位輪廓曲線(φ)，可視為45°彎曲相位曲線 (φ1)和聚焦相位曲線(φ2)的疊加。I:計算的絕對相位，II:對應的菲涅耳相位。(c)每個單元的優(yōu)化器件圖案和對應的理想相位曲線(φ)。(d) 計算出的理想相位掩模(黑色實線)與所設計超構透鏡的模擬相位響應(紅色虛線)之間的比較。(e)所設計單個超構透鏡的模擬光場分布。(f)模擬超構透鏡的焦點AI不同波長下沿x'軸的偏移。插圖為不同波長下焦點的橫截面光場分布圖。

要實現(xiàn)更高的波長分辨率，需要累積色差和增加光程。為了驗證設計效果，本文設計并制備了一種基于五層折疊超構透鏡的光譜儀，器件尺寸僅為100 μm×100 μm。該器件的模擬光場和實測結果如圖2所示。圖2(a)中的五層超構透鏡功能不同，透鏡I用于準直擴束輸入光同時轉折光路，透鏡II-IV則承擔著累積色散和波長分束的作用。受到讀出波導間距的限制，此時該器件直接讀出的分辨率約為1 nm (圖2(d))。為了進一步提高光譜儀性能以及器件的制備容差，在色散分光的基礎上引入了光譜重構算法。

圖2. 基于五層折疊超構透鏡的光譜儀。(a)五層折疊超構透鏡光譜儀在1550 nm處的模擬光場分布。(b)器件尺寸為100 μm×100 μm的光譜儀顯微鏡圖像。插圖:超構透鏡和輸出波導陣列的局部電鏡圖像。(c)器件實測的輸出強度與輸入波長的映射圖。(d)兩個相鄰輸出通道11和12的透射光譜，通道間距約為1 nm。(e)譜相關函數(shù)C(δλ)的半高半寬δλ為0.108 nm，與光譜儀的估計分辨率相對應。

為了體現(xiàn)光譜儀的性能，構造了幾種不同類型的預編程光譜來測試光譜儀的性能。重構光譜見圖3。結果表明，結合重構算法后，該光譜儀的光譜分辨率提升至0.14 nm(圖3(a))，整體工作帶寬覆蓋1530 nm-1565 nm，且性能在邊帶依舊保持穩(wěn)定(圖3(c))。此外，對于同時具有寬高斯背景和窄帶單峰特征的復雜頻譜(圖3(d))，本文提出的片上光譜儀依舊能與商用光譜儀保持良好的一致性。

圖3. 使用基于五個折疊超構透鏡的片上光譜儀進行光譜重建(實線表示重建光譜，虛線表示商用光譜儀測試結果)。(a)兩條相隔約0.14 nm的窄光譜線的重建光譜。(b)距離約20.61 nm的雙峰重建光譜。(c)在工作帶寬上分別重建7處不同波長的窄帶光譜。(d)寬帶光源入射的重建光譜。

此文提出的基于數(shù)字型超構透鏡的片上光譜儀在超過35 nm的波長范圍內實現(xiàn)了0.14 nm的分辨率。整體尺寸僅為100 μm ×100 μm，最小特征尺寸為120 nm，可通過標準硅光工藝大規(guī)模制造。該設計方案具有可移植性，使用氮化硅或其他集成平臺，基于超構透鏡的光譜儀可以擴展到可見光或中紅外波長。目前器件的數(shù)據(jù)讀出依賴于片外功率計，可以通過集成片上光電探測器陣列來改善。此外，片上數(shù)字型超構透鏡作為一種功能強大的片上光場調控器件，在成像、光計算等領域也有應用潛力。

寬帶泵浦探針納秒瞬態(tài)吸收光譜儀，可以匹配各種脈沖激光器。作為一個完整的交鑰匙系統(tǒng)，EOS是一款易于調整時間窗口的瞬態(tài)光譜測量系統(tǒng)，并擁有亞納秒的時間分辨率。EOS納秒瞬態(tài)光譜儀可以與HELIOS集成使用，將其擴展為飛秒瞬態(tài)吸收光譜儀。

系統(tǒng)特點：

●為瞬態(tài)吸收優(yōu)化的光譜分辨率

對于瞬態(tài)吸收，由于信號較弱，想要在整個譜段得到更好信噪比的光譜特征需要有更好的光通量。而光譜儀狹縫的選擇需要在光通量和光譜分辨率之間找到平衡。因此，我們將光譜分辨率配置為足以解決凝聚相實驗中的實際問題，同時允許探測器上有足夠的探測光。 ●更低的探測光及泵浦光作用在樣品上

Ultrafast的瞬態(tài)光譜系統(tǒng)將探測光探針聚得更小，盡可減少了聚焦在樣品上的激光能量，降低在測量時對樣品的降解。這對于固態(tài)樣品(薄膜等)尤其重要。尤其是那些在實驗過程中無法輕易轉換的樣品。在標準配置中，樣品中的EOS探針光束腰<100μm。因此，所需的典型激發(fā)能量為數(shù)百nJ/脈沖。此外，這種光束尺寸允許研究小樣本。

●樣品架

寬敞的(210毫米x 300毫米)樣品艙便于安裝低溫恒溫器和溫控樣品架。此外，在樣本周圍有更多的空間，就可以更容易地處理樣本。

同時，EOS提供了非常友好的軟件功能，讓復雜的測量變得更智能，更自動化：

●自動校正泵浦光

●計算機控制切換光譜范圍(UV/VIS/NIR/SWIR)

●支持計算機控制平移樣品支架

●支持根據(jù)光強自動切換濾光片輪，實現(xiàn)自動泵浦光強度控制

●用戶可在軟件中自定義時間步長，時間窗口及掃描步數(shù)

●繪制實時直方圖，以顯示時間窗口內的采樣分布

●內置用于在整個時間窗口內自動均衡采樣分布的算法

審核編輯：湯梓紅