微纳视界报道：超表面技术助力太阳望远镜实现重大突破

超表面（Metasurfaces）——一种由亚波长金属或介质纳米结构组成的人工二维平面——能比传统光学器件更高效、更精准地操控光线。 尽管研究人员已利用超表面成功制造出超薄平面镜、透镜和波片等光学元件，但大多数工作仍停留在概念验证阶段。

如今，美国研究人员借助超表面光学领域的最新进展，显著提升了天文观测仪器性能，实现了对太阳磁场的定量观测（Sci. Adv.,DOI: 10.1126/sciadv.aee8035）。他们开发的太阳成像超表面偏振仪（SIMPol） 是全球首款采用高性能超表面偏振分析光栅的折射式望远镜，可实现太阳快照成像偏振测量。

（超表面被集成到定制望远镜中。图片来源：Noah Rubin）

加州大学圣迭戈分校的Noah Rubin表示：“我们认为，这是超表面光学技术在实验室概念验证之外，首次被用于改进实际科学仪器之一。该技术已在学术界和产业界受到近十年的高度关注。”

偏振光的分离

超表面能在新型光操控方式上展现优势，同时显著降低尺寸和重量，并可将多种光学元件的功能集成一体。天文仪器因性能要求严苛，常被视为超表面的潜在应用领域，但此前真实应用案例有限，多为简单演示，如使用类似金属透镜元件拍摄月球表面。

（图示：研究人员用镊子夹持的圆盘中心6毫米大小的圆形即为超表面元件。图片来源：Noah Rubin）

Rubin及其团队致力于发挥超表面光学的一项独特优势——对偏振光进行空间操控，并以此解决天文学家面临的实际难题。

Rubin解释道：“测量光的偏振态通常需要多次测量。传统仪器（包括此前已发射到太空的设备）通过机械旋转偏振元件来实现。这不仅引入了机械部件，成为潜在的单点故障源，在太空环境中，卫星移动时元件重定向还会导致严重图像模糊。”

研究团队转而采用超表面偏振光栅（MPG），这种光学元件能将入射光“分裂”成不同衍射级次，从而分析特定偏振态。通过测量至少四个级次，即可确定入射光的完整偏振态，将原本需要复杂光学组件组合的功能浓缩到一个单一扁平表面上。

同时捕捉

研究团队与BAE Systems Space & Mission Systems合作，制造并测试了大面积、高性能的MPG。随后，他们将该超表面集成到定制望远镜中，并在新墨西哥州的邓恩太阳望远镜（Dunn Solar Telescope）进行部署。借助超表面，系统能够同时捕捉太阳黑子的偏振图像，并定量绘制其嵌入的磁场分布。

Rubin表示：“这些观测结果与NASA在轨最先进任务的观测水平相当。我们目前正在探索将这项技术集成到未来NASA太阳观测空间任务中的可能性。”