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原文標題：“Optical telescope with Cassegrain metasurfaces”

第一作者：Xuan Liu、Junhong Deng

光學元件的基本原理與應用

光學元件致力于拓展人類的觀測極限，其工作原理基于增大像對人眼的張角，從而營造物體被放大的視覺效果。以顯微鏡為例，在放大鏡（目鏡）前增設的凸透鏡（物鏡），可使物體形成放大實像，再經目鏡二次放大，實現多倍放大的觀測效果。通過更換物鏡，能夠靈活調整放大倍率，但受限于衍射極限，實際應用中需將放大倍率控制在有效范圍內 ，以此保證觀測的準確性和有效性。

望遠鏡的發展歷程與技術瓶頸

望遠鏡的發展同樣遵循光學元件的基本原理。開普勒望遠鏡利用凸透鏡將遠處物體縮成實像，再經目鏡放大；伽利略望遠鏡則通過凹透鏡改善開普勒望遠鏡成像倒立的問題。

卡塞格林望遠鏡結構示意圖（來自原文）

然而，這兩種折射式望遠鏡均存在嚴重的色差問題，極大地影響了天文觀測精度。為解決這一難題，牛頓發明了反射式望遠鏡，隨后法國人卡塞格林設計出由拋物面主鏡與兩片雙曲面副鏡構成的反射式望遠鏡，有效解決了色差困擾，其中卡塞格林望遠鏡更是得到廣泛應用，舉世聞名的哈勃望遠鏡便是典型代表。但卡塞格林望遠鏡功能卓越的同時，其龐大的體積成為了進一步應用的限制因素。

基于超表面的卡塞格林望遠鏡研究

針對傳統卡塞格林望遠鏡體積龐大的問題，李貴新教授團隊進行了創新性研究，設計出一套基于超表面的卡塞格林望遠鏡，以超表面替代傳統系統中的曲面鏡。該超表面單元基于幾何相位設計，其結構從下至上依次為玻璃基板、金層、二氧化硅層以及頂部的金納米棒。通過精確調節金納米棒（長 200 納米、寬 85 納米、高 30 納米，單元周期 300 納米）的旋轉角度實現相位調控，所需相位剖面由幾何光學計算得出。

超表面卡塞格林望遠鏡示意圖（來自原文）

在實驗測試環節，研究團隊在光源后配置帶通濾波器以降低色差，并通過兩個透鏡將望遠鏡所成像放大后投射至 CCD 上。實驗選用玻璃基板上 100nm 厚金膜中的狹縫作為目標物體，設置三張圖的中心距分別為 200 微米、150 微米和 100 微米。結果顯示，該超表面望遠鏡能夠實現 150 微米分辨率的成像，驗證了設計的可行性和有效性。

超表面單元結構示意圖（來自原文）

研究成果的意義與展望

相較于傳統卡塞格林望遠鏡，平面超透鏡的應用極大地簡化了系統結構，同時為光學系統設計帶來了更多可能性。從經典光學儀器到前沿超表面技術，此次研究體現了科技的持續碰撞與創新，也為未來光學望遠鏡領域的發展提供了新的方向與思路，令人對后續的技術突破充滿期待。

A：實驗裝置圖 B：狹縫示意圖 C~F：成像效果圖（來自原文）

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