超表面重构卡塞格林望远镜 | 从传统架构到新型光学系统

原文信息

原文标题：“Optical telescope with Cassegrain metasurfaces”

第一作者：Xuan Liu、Junhong Deng

光学元件的基本原理与应用

光学元件致力于拓展人类的观测极限，其工作原理基于增大像对人眼的张角，从而营造物体被放大的视觉效果。以显微镜为例，在放大镜（目镜）前增设的凸透镜（物镜），可使物体形成放大实像，再经目镜二次放大，实现多倍放大的观测效果。通过更换物镜，能够灵活调整放大倍率，但受限于衍射极限，实际应用中需将放大倍率控制在有效范围内 ，以此保证观测的准确性和有效性。

望远镜的发展历程与技术瓶颈

望远镜的发展同样遵循光学元件的基本原理。开普勒望远镜利用凸透镜将远处物体缩成实像，再经目镜放大；伽利略望远镜则通过凹透镜改善开普勒望远镜成像倒立的问题。

卡塞格林望远镜结构示意图（来自原文）

然而，这两种折射式望远镜均存在严重的色差问题，极大地影响了天文观测精度。为解决这一难题，牛顿发明了反射式望远镜，随后法国人卡塞格林设计出由抛物面主镜与两片双曲面副镜构成的反射式望远镜，有效解决了色差困扰，其中卡塞格林望远镜更是得到广泛应用，举世闻名的哈勃望远镜便是典型代表。但卡塞格林望远镜功能卓越的同时，其庞大的体积成为了进一步应用的限制因素。

基于超表面的卡塞格林望远镜研究

针对传统卡塞格林望远镜体积庞大的问题，李贵新教授团队进行了创新性研究，设计出一套基于超表面的卡塞格林望远镜，以超表面替代传统系统中的曲面镜。该超表面单元基于几何相位设计，其结构从下至上依次为玻璃基板、金层、二氧化硅层以及顶部的金纳米棒。通过精确调节金纳米棒（长 200 纳米、宽 85 纳米、高 30 纳米，单元周期 300 纳米）的旋转角度实现相位调控，所需相位剖面由几何光学计算得出。

超表面卡塞格林望远镜示意图（来自原文）

在实验测试环节，研究团队在光源后配置带通滤波器以降低色差，并通过两个透镜将望远镜所成像放大后投射至 CCD 上。实验选用玻璃基板上 100nm 厚金膜中的狭缝作为目标物体，设置三张图的中心距分别为 200 微米、150 微米和 100 微米。结果显示，该超表面望远镜能够实现 150 微米分辨率的成像，验证了设计的可行性和有效性。

超表面单元结构示意图（来自原文）

研究成果的意义与展望

相较于传统卡塞格林望远镜，平面超透镜的应用极大地简化了系统结构，同时为光学系统设计带来了更多可能性。从经典光学仪器到前沿超表面技术，此次研究体现了科技的持续碰撞与创新，也为未来光学望远镜领域的发展提供了新的方向与思路，令人对后续的技术突破充满期待。

A：实验装置图 B：狭缝示意图 C~F：成像效果图（来自原文）

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