光学色散是自然界普遍存在的物理现象。中国古代对光的色散现象描述，‌最早可以追溯到对“虹”的观察和记录，如‌战国时期的《‌楚辞》‌中就提到了虹的“五色”。‌‌此外，‌对晶体的色散现象也有相关记载，‌例如云母片向日举时可观察到各种颜色的光。然而，‌真正对光的色散现象进行系统研究的突破是在牛顿进行的三棱镜实验中。‌17世纪中叶，‌牛顿设计并进行了这一实验，‌通过实验证明了白光是由各种不同颜色光组成的，‌而玻璃对各种颜色光的折射率不同。因此，人们就可以利用棱镜将白光分开形成颜色光谱。‌这一实验成果推动了人们对光的波动性和色散现象的更深入探究。

对于常见的光学透镜，人们为了消除其折射率色散产生的色差，采用了曲率反向、色散特性不同胶合透镜组来获得高品质的消色差光学成像。其实，除了材料折射率变化造成的色散外，通常还存在另外两种色散：其一是衍射色散，其二是导波色散。随着现代光学技术的发展，人们研制出了各种各样的衍射光学器件，如光栅光谱仪，这正是利用光栅的衍射色散效应，当光栅周期越小，其衍射色散就越大。此外，随着光通信、光传感与集成光学的发展，光学波导与光纤技术被广泛应用。其中不同波长的光信号在波导与光纤中传输除了介质本身的材料色散外，导波的模式色散也扮演一个重要角色。在现代的光信息技术中，人们对衍射色散和导波色散的调控能力很大程度上决定了相关光学器件的工作性能。 

近年来，以亚波长人工结构单元构筑的超构表面成为光学前沿和成像技术领域关注的热点，它的核心原理是通过纳米单元结构在亚波长的局域位置对光波的相位改变，来控制光的透射与反射，其调控规律可用广义斯奈尔定理的人工梯度相位来描述^[1]。

人们设计出具有聚焦相位的超构表面便得到了超构透镜，能达到平面透镜聚焦和成像的功能。不同于基于衍射效应的菲涅尔透镜，超构透镜的结构单元小于光波长，因而没有高阶衍射具有比衍射透镜更高的聚焦和成像效率。自2016年哈佛大学报道了可见光全介质超构透镜以来^[2]，众多科研人员对超构透镜开展了大量研究。一般来说，透镜的消色差和消像差性能是决定透镜成像性能的关键。虽然超构透镜具有超轻超薄和多功能复用与集成的优势，但其色/像差却显著大于传统折射透镜。其原因在于其纳米阵列的结构特征，本质上可看成仅有零级衍射的衍射透镜。因此，光的衍射色差在超构透镜中仍然存在，而且大大强于光学材料的折射率色散^[3]。同时，大角度的衍射效率低下也决定了超构透镜的视场角有限，同样不如传统折射透镜。

为解决巨大的色差问题，人们提出了多种超构表面/超构透镜设计方案。早期是针对红-绿-蓝离散波长进行了纳米结构的算法优化设计^[4]。之后，人们针对连续波长的宽带消色差也提出了多种相位补偿方法。其中南京大学和台湾大学联合团队提出几何相位与集成共振联合调控在近红外波段实现宽带的消色差聚焦的金属型超构反射镜^[5]，此后他们又基于GaN纳米柱的几何相位和波导共振研制出宽带可见光消色差透镜^[6]。哈佛大学也在相近时期实现了TiO2消色差超构透镜^[7]。再之后，多个研究组和科研团队针对不同波段、不同数值孔径、不同口径的消色差透镜开展了广泛研究，取得一系列进展^[8]。

然而，想要同时获得大口径、大数值孔径、高效率的宽带消色差透镜仍然存在难以逾越的困难。大量研究表明，决定超构透镜消色差性能的根本因素在于“超构原子”补偿色散的能力（即群速延迟能力）。在现有超构透镜设计中，这个补偿色散能力归根结底取决具有传播相位的介质纳米柱结构的高度，即导波色散的调控能力。受限于现有的纳米加工能力，超大深宽比的纳米柱结构加工面临巨大挑战，这使得现有报道的消色差超构透镜尺寸不到毫米尺度，大大制约了其实际应用。

南京大学研究团队详细分析了制约消色差平面透镜的各项因素，提出在非完美情况下最大优化消色差平面透镜综合性能的频域相干性调控方法，设计并研制了较高厚度的多阶衍射透镜，将可见光消色差透镜的口径增大了厘米尺寸^[9]，为开发大口径消色差平面透镜提供了新方案。不过，受限与衍射透镜的阴影效应和加工挑战，该透镜的数值仍然很小（仅为0.1）。近期，浙江大学团队提出群速折叠的方式来进行消色差超构透镜的设计，一定程度上放宽了单个超构原子对色散补偿能力的要求^[10]。然而其本质是对超构透镜在不同波长下的衍射级次进行折叠，在同一个衍射级次内部的色散依然存在。这使得宽波段的消色差仅仅针对一系列离散波长有效，难以达到完全的连续波长消色差。

由此看到，利用超薄的超构透镜来实现大尺寸消色差成像在原理和技术上存在巨大挑战难以短期内完全克服。研究人员仍然在不断努力，在尝试解决这一根本难题外，同时也在拓展超构透镜其它优势功能，如偏振成像，相位成像，光谱检测等^[11]。不过从超构透镜消色差设计的工作原理来看，想要补偿超构单元巨大的衍射色差，需要超构原子具有与衍射色散相反的波长响应。之前大量的研究确实展示了作为“超构原子”的亚波长高折射率介质纳米柱，实质是一种介质波导，波导中的电磁场模式存在可由尺寸调控的正向导波色散，正好能够补偿衍射的反向色散。因此，人们可以用它来完成连续波段消色差超构透镜。

对于光子集成领域，波导的导模色散往往成了制约器件工作带宽的重要因素。与消色差透镜设计类似，如果想要构筑零色散宽带的波导及光纤器件，也需要两种截然相反的色散机制才能实现，这在波导内部的结构和折射率控制往往非常困难，迄今也是光通讯领域重要的关键科学问题。

在众多的光子集成元件中，波导之间的定向耦合器在光信息传递、分束、滤波等功能实现中扮演重要作用。这种定向耦合器的工作原理是依赖于波导表面倏逝场的交叠的实现的，这使得器件的特征尺度（耦合长度）强烈依赖于波导色散和工作波长。一般而言，波导定向耦合器大都按单一波长设计，当波长改变后，在特定工作距离下的耦合效率或分束性能会显著下降。人们曾尝试通过各种方案去消除波导耦合色散，来达到宽带的集成波导器件，如绝热近似设计，非对称波导设计，拓扑阵列设计等^[12-15]。不过这些方法往往需要付出一系列其他性能的牺牲为代价，如器件尺寸增加，对加工误差敏感，插入损耗增加等。

南京大学研究团队针对这一瓶颈问题，提出通过周期型弯曲波导来构建人工规范场，从而调控波导的耦合色散。他们对通讯波段硅波导开展研究，发现人工规范可以在一定的参数控制下诱导出反向的耦合色散，从而与波导本征的导波耦合色散抵消，达到宽带“零色散”波导定向耦合器与分束器^[16]。这一人工规范场思想进一步可以推广到波导本征模的周期性调制，研究人员也成功演示了周期性“胖瘦”调制来实现宽带“零耦合”的密集铌酸锂波导阵列，为大规模低串扰高集成波导提供了新思路^[17]。

《荀子 礼论》有言“天地合而万物生，阴阳接而变化起”。从上述两个体系的研究进展中，我们可以清晰地看到有效的光学色散调控至少需要一对效应相反的调控机制。在消色差超构透镜的设计中，人们主要通过超构原子传播相位引起的波导色散与单元阵列形成的衍射色散相互平衡，从而获得消色差的聚焦与成像。在光子集成波导中，光波长变化引起的耦合色散则可以通过波导形状变化构建的人工规范场来进行消除。当然，这些功能都还仅仅在一定的空间尺度中有效。在具体的工程应用中，这些前沿设计还面临着巨大挑战。比如宏观大尺寸的消色差平面透镜需要结构单元有更大的群速补偿能力，集成光波到本身内部的群速色散补偿（如光纤传输）也面临巨大挑战。这需要科研工作者继续前行，不断探索新的物理原理和设计思想并推进应用，为光信息技术的发展开辟新道路。

南京大学李涛教授：变革性的超构成像技术 | Photonics Insights综述