一周精读 | 南京大学团队研发超薄成像系统——pancake相机；华东师大团队研发出人造抗病毒系统相机

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【一周精读 | 南京大学团队研发超薄成像系统——pancake相机；华东师大团队研发出人造抗病毒系统】自宇宙诞生以来，有一类天体事件居然可以在一秒钟释放出太阳毕生的能量总和，它就是最猛烈的天体爆发现象——伽马射线暴（英文为gamma-ray burst ，简称GRB）。近日，南京大学张彬彬教授团队发现了一例观测上具有特殊意义的伽马射线暴GRB 211211A ，并通过详尽的数据分析得出这一长伽马暴与千新星成协的证据，并原创性地提出了这一事件背后的特殊物理起源，指出其前身星可能为中子星-白矮星并合系统。

南京大学团队研发超薄成像系统——pancake相机南京大学李涛教授、祝世宁院士的研究团队研发出一种基于偏振复用双面超构透镜的超薄成像系统——pancake相机（类似”奥利奥”甜品的薄饼相机）。它一方面利用超薄超轻的超构透镜替代传统的折射透镜，另一方面将超构透镜与反射镜相结合，利用超构透镜基于偏振的空间折叠特性进一步实现了成像系统的压缩（图1）。

图1 pancake 超构透镜相机的成像示意图
现代成像技术的一个发展趋势就是成像系统的小型化和便携性。要实现成像系统的终极小型化，除了用平面超构透镜替代传统的体块透镜，更重要的在于对成像距离的压缩和折叠。难点在于一方面在成像系统空间的压缩方面鲜有报道。另一方面，在近年来流行的虚拟现实和增强现实领域有一种pancake光学设计，可有效压缩成像或显示系统，但是它需要光经过多次分束来完成，其能量利用率不超过25% ，同时在空间折叠过程中的光场相位调控也非常有限。
李涛教授团队提出了一种具有透反和偏振同时调控的双面超构透镜（也称作\"双面神\"超构透镜）与一个平面反射镜结合，可有效地构建一种偏振空间折叠成像方案，理论上可无损失地对成像距离任意压缩（见图1）。研究人员首先从傅里叶光学的角度介绍了pancake 超构透镜相机的工作原理，即利用多次波矢调制来减小成像距离，并利用超构微腔进一步折叠压缩成像距离，此外还对比了与传统pancake光学的效率优势（图2）。

图2 pancake超构透镜的工作原理。 (a)普通超构透镜的光线示意图， (b)多次波矢调制减小成像距离， (c)利用超构微腔进一步折叠成像距离；(d)传统pancake optics 能量利用示意图， (e) pancake meta-optics 能量利用示意图。
随后研究人员基于前期的手性超构原子（Nano Letters 21 1815?1821 (2021)）设计复合超构原胞，构建具有透反调控的偏振复用的双面超构透镜。它可在一个圆偏振入射下为透射的调制，另一个圆偏振入射下为反射的调制，并验证了其透反射模式下独立调控相位的能力。研究人员进一步将双面超构透镜与反射镜结合组成“奥利奥”薄饼相机。图3(ab-d)分别给出了薄饼相机成像中光路折叠示意图和Zemax的光线追迹模拟，随后他们通过仿真模拟上给出了折叠相机空间压缩焦距缩短的验证，见图3(e-g) 。

图3 pancake 超构透镜的模拟结果。 (a) pancake 超构透镜光线示意图。 (b)& (e) 普通超构透镜， (c)&(f) 压缩比为1/3的pancake超构透镜， (d)&(g) 压缩比为1/5的pancake超构透镜的光线追迹图和全波仿真结果。
最后，研究人员在实验上加工了压缩比为1/3的双面超构透镜pancake成像系统（见图4 ，成像距离由原先3h减至h），实验测量了980nm波长下普通成像和pancake压缩之后的成像性能对比，结果显示其焦斑大小、斯特涅尔比及MTF等性能都很接近。图5第一行则展示了pancake相机针对不同样品在不同情境下的成像结果，与普通超构透镜相比(图5第二行) ，其成像性能非常接近。

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