南京大学在平面光学和超紧凑光学系统领域取得显著进展

近日，南京大学物理学院博士后 Ryan Joseph Hogan和渥太华大学的合作研究在平面光学和超紧凑光学系统领域取得了显著进展。基于多层薄膜堆叠技术，他们采用工程化光学 “空间板”，成功实现了破纪录的空间压缩，揭示了其在构建紧凑型光学系统、缩短光传播物理距离方面的巨大应用潜力。相关研究成果以“Experimental demonstration of high space compression by optical spaceplates”为标题，表于近期的《自然·通讯》上。

现代光学系统的主要局限之一在于其固有的物理尺寸，而空间板则直接解决了这一问题。这些器件能够缓解各种应用（从大型望远镜到每台移动设备中的摄像头）的性能和使用限制。传统上，光需要足够的传播距离才能进行成像和波前操控，而超表面在很大程度上克服了这一限制。这种几何限制长期以来决定了器件的最小厚度，阻碍了真正单片式平面成像系统的实现。因此，克服这些障碍将有助于现代光学系统小型化进程的持续推进。

团队创新性地利用空间板中的非局域光学响应，制造出一种能够模拟自由空间傅里叶传递函数的工程光学器件，从而将自由空间传播压缩到显著更短的物理距离。与传统透镜在试图缩短焦距时会引入不必要的放大倍率不同，这种空间板能够有效地“缩短”图像聚焦所需的物理距离。此外，在实验演示中，该团队采用了成熟的多层薄膜堆叠技术（一种可大规模生产的制造技术），实现了破纪录的空间压缩。

后续测量表明，该团队的器件展现出极高的压缩比（R=176±14），其作用传播距离几乎是自身厚度的200倍。为了更直观地说明这一点，研究人员证明，一块仅11.5微米厚的太空板就能成功抵消一块3毫米厚的玻璃板的影响，而玻璃板的厚度是该器件本身的260多倍。

更重要的是，除了简单的光束操控之外，该装置还成功演示了图像的焦点回缩，证明了其直接的实际应用价值。这种多层设计方法的灵活性允许对带宽和数值孔径进行定制，为激光雷达、内窥镜、虚拟现实头显和视网膜扫描仪等对尺寸有严格要求的技术提供了理想的解决方案。这项研究打破了焦距与器件物理尺寸之间的刚性联系，是朝着人们长期以来梦寐以求的“平面光学”目标迈出的关键一步，在“平面光学”中，复杂的成像系统可以被简化为薄型单片芯片。

南京大学物理学院博士后Ryan Joseph Hogan是论文第一作者和通讯作者。Iridian Spectral Technologies团队（Brian T. Sullivan和Graham Carlow）完成了高质量的器件制备；渥太华大学Robert W. Boyd教授和Jeff S. Lundeen教授指导了这项工作。该研究工作得到了国家自然科学基金和江苏省卓越博士后人才计划的支持。

相关链接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-71500-1