基于邊界全反射機(jī)理的超分辨結(jié)構(gòu)型微波透鏡研究進(jìn)展
2021年6月18日，國際頂級光學(xué)期刊Advanced Optical Materials (IF="8.26)" 以“Highly Efficient Gradient Solid Immersion Lens with Large Numerical Aperture for Broadband Achromatic Deep Subwavelength Focusing and Magnified Far Field”為題，在線報道了北京理工大學(xué)先進(jìn)技術(shù)結(jié)構(gòu)研究院方岱寧院士團(tuán)隊在結(jié)構(gòu)型寬帶微波透鏡方面的研究進(jìn)展。博士生陳錦為論文第一作者，廈門大學(xué)陳煥陽教授和北京理工大學(xué)陳明繼副研究員為本文的共同通訊作者。
相對于采用金屬超材料設(shè)計的窄帶透鏡，梯度折射率透鏡能夠在更寬的頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無色差高分辨聚焦和遠(yuǎn)場放大等功能。研究團(tuán)隊受到經(jīng)典魚眼透鏡的啟發(fā)，通過提高聚焦點(diǎn)處的折射率，引入透鏡邊界處的全反射機(jī)理，從而提高了透鏡的聚焦精度，如圖1所示。通過基元結(jié)構(gòu)設(shè)計和精細(xì)加工，實(shí)現(xiàn)了聚焦半徑0.15λ水平的大數(shù)值孔徑寬帶高分辨聚焦微波透鏡，這樣的聚焦精度水平原來只在窄帶的金屬超材料透鏡中達(dá)到過。
圖1 四個麥克斯韋魚眼透鏡的聚焦性能，n0 從 1 增加至2.5。
選取4種介電常數(shù)分別為 12，9，7，6的全介質(zhì)低色散低損耗材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計和制備。根據(jù)與圓心距離的不同，將透鏡結(jié)構(gòu)介電常數(shù)的空間分布進(jìn)行階梯化離散，每一階梯的等效折射率選擇相應(yīng)的材料設(shè)計對應(yīng)的亞波長尺度微結(jié)構(gòu)。根據(jù)光路可逆，聚焦點(diǎn)處的高精度聚焦可以在遠(yuǎn)場被識別。相關(guān)仿真結(jié)果如圖2所示。
圖2 透鏡的結(jié)構(gòu)設(shè)計及其仿真結(jié)果
微波近場掃描實(shí)驗(yàn)表明該透鏡的聚焦精度與理論預(yù)期高度吻合，且實(shí)現(xiàn)了寬帶無色差高精度聚焦。遠(yuǎn)場測試結(jié)果證實(shí)該透鏡可實(shí)現(xiàn)高隔離度的高精度雙輸入雙輸出。基于可見光與微波在物理機(jī)制上的相似性，可以通過十納米級別的微結(jié)構(gòu)將本文結(jié)果推廣到可見光透鏡應(yīng)用中。
圖3 透鏡樣品的實(shí)驗(yàn)結(jié)果
相關(guān)論文鏈接：
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論文鏈接：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6463/abddf9
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