超构表面学习之路 2026年2月28日 11:31 广东
Diamond Metalens Enabled Robust Imaging Across Broad Temperature Range
Liu Li（郑州大学物理学院）；
Arttu Nieminen（坦佩雷大学工程与自然科学学院）；
Wen-Jie Dou（郑州大学物理学院）；
Yong-Yang Zhu（郑州大学物理学院）；
Humeyra Caglayan（坦佩雷大学工程与自然科学学院）；
Pei-Nan Ni（郑州大学物理学院）；
通讯作者：Chong-Xin Shan（郑州大学物理学院）；
2026年2月26日（其中2025年12月15日投稿，2026年02月06日返修，2026年02月11日接收）
发表期刊：
Laser & Photonics Reviews（JCR-Q1，IF=10）
超构透镜能够用亚波长纳米结构直接写入点扩散函数（PSF）并把复杂光学系统做得更紧凑，但在极端温度环境下其性能常会被材料的热光系数与热膨胀所拖累：温度变化会同时引起结构形变与折射率变化，从而破坏精心设计的相位分布，导致焦移与波前像差累积，最终造成成像质量显著退化；针对这一研究空缺，【郑州大学单崇新】团队提出并验证了以金刚石为材料平台的超构透镜方案，利用金刚石“热光系数极小+热膨胀极低”的特性，在仿真中将宽温区工作下的热致波前误差压到极低水平，并进一步制备了两类具工程化PSF的金刚石超构透镜（点PSF与涡旋PSF，拓扑荷L=1）进行实验验证；可以把它类比为把超构透镜的“相位编码”刻在一块热稳定性极强的基材上，使温度大幅波动时相位图依旧几乎不变，从而让焦点形貌与成像能力不随环境漂移；论文给出的关键定量结果包括：在−100°C到500°C范围内，金刚石超构透镜可保持一致的衍射极限成像表现，且数值模拟显示点PSF与涡旋PSF的热致像差分别仅为0.0061λ与0.0087λ量级，并通过温度控制平台实验观测到点PSF与涡旋PSF在宽温区内的焦距、半高全宽与聚焦效率几乎不变；进一步在非相干照明下，作者将点PSF与涡旋PSF成像结果做差实现边缘增强成像，并展示该边缘增强在−100°C到500°C仍保持稳定效果，支持在深空任务、低温实验与高温工业等极端环境中部署紧凑且可靠的成像系统。 该成果以 Diamond Metalens Enabled Robust Imaging Across Broad Temperature Range 为题，于2026年2月26日发表于《Laser & Photonics Reviews》。
(a) 成像系统在不同温度下的构型。(b) 热膨胀导致的结构形变，以及热光效应引起的相位误差。(c) 已制备的金刚石超构透镜的扫描电子显微镜图像，分别对应点PSF与涡旋PSF。
(a) 在300 K温度下，不同光学材料的热光系数与热膨胀系数。(b–d) N-BK7体透镜的热响应仿真：(b) 透镜本体，(c) 点扩散函数，(d) 对应的泽尼克像差系数。
(a–d) TiO2超构透镜的热响应仿真：(a) 结构，(b) 理想PSF与涡旋PSF，(c) 在500°C下对应的波前像差，(d) 泽尼克像差模。(e–h) 在相同条件下金刚石超构透镜的热响应仿真。(i) 不同透镜在理想PSF条件下的FWHM与斯特列尔比随温度变化。(j) 不同透镜在涡旋PSF条件下的能量效率与斯特列尔比随温度变化。
(a,b) 点超构透镜(a)与涡旋超构透镜(b)在不同温度下的实测PSF。(c) 点超构透镜的焦距与FWHM随温度变化。(d) 涡旋超构透镜的焦距与能量效率随温度变化。
图5.金刚石超构透镜在极端热条件下的成像性能表征。
(a) 使用点与涡旋超构透镜进行非相干边缘增强成像的示意图。(b) 在不同温度条件下对金刚石超构透镜成像性能进行表征的光学装置。(c) 使用金刚石点/涡旋超构透镜得到的温度相关边缘增强成像结果。(d) 金刚石点超构透镜获取图像的SSIM与PSNR随温度变化关系。
L. Li, A. Nieminen, W.-J. Dou, et al. “ Diamond Metalens Enabled Robust Imaging Across Broad Temperature Range.” Laser & Photonics Reviews (2026): e71033.
DOI: https://doi.org/10.1002/lpor.71033
