方岱寧院士團隊在結(jié)構(gòu)型微波透鏡方面的研究進展
2021年3月18日，國際頂級光學期刊Laser & Photonics Review(IF=10.65)以“Conformally Mapped Mikaelian Lens for Broadband Achromatic High Resolution Focusing”為題，在線報道了北京理工大學先進技術(shù)結(jié)構(gòu)研究院方岱寧院士團隊在結(jié)構(gòu)型寬帶高分辨聚焦微波透鏡方面的研究進展。博士生陳錦為論文第一作者，陳明繼副研究員為本文的共同通訊作者。
大數(shù)值孔徑無色差高分辨聚焦透鏡在高分辨成像、高精度光刻等領(lǐng)域具有重要的工程應用。如何設(shè)計制造寬帶無色差高分辨率透鏡是光學與微波領(lǐng)域共同關(guān)注的問題之一。研究團隊按照先進結(jié)構(gòu)工程逆向設(shè)計的指導思想，通過保角變換光學理論，推導出聚焦點在邊界對稱軸處的四分之一米卡良透鏡折射率分布；并通過基元結(jié)構(gòu)設(shè)計和精細加工實現(xiàn)了聚焦半徑0.2λ水平的大數(shù)值孔徑寬帶高分辨聚焦微波透鏡。
為提高聚焦點處聚焦精度，受到傳統(tǒng)固體浸入式透鏡啟發(fā)，將聚焦點處設(shè)計為折射率較大的材料，能夠提高透鏡的聚焦性能，達到0.2λ的聚焦半徑，如圖1所示。得到折射率空間分布后，需要通過結(jié)構(gòu)設(shè)計予以實現(xiàn)。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行結(jié)構(gòu)設(shè)計和制備。根據(jù)距離邊界對稱軸距離的不同，將透鏡結(jié)構(gòu)介電常數(shù)的空間分布進行階梯化離散，每一階梯的等效折射率選擇相應的材料設(shè)計對應的亞波長尺度微結(jié)構(gòu)，如圖2所示。
圖1 (a-c) 邊界處折射率分別為 1，2，3時四分之一米卡良透鏡的聚焦半徑
圖2 (a)四分之一米卡良透鏡的參數(shù)離散；(b)透鏡的微結(jié)構(gòu)設(shè)計；(c)透鏡結(jié)構(gòu)樣件照片；(d)透鏡聚焦效果的仿真計算結(jié)果
微波近場掃描的實驗結(jié)果表明，該透鏡的聚焦半徑和聚焦效率與理論值吻合較好，如圖3所示。雖然本文工作是針對微波頻段的電磁波進行驗證的，但基于可見光與微波在物理機制上的相似性，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用中。
圖3 (a)電場測試平臺；(b)透鏡的聚焦半徑測試結(jié)果；(c)透鏡7-14GHz頻率下的電場分布云圖
相關(guān)論文鏈接：
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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lpor.202000564
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論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.8b11239
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論文鏈接：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6463/ab3fb8
[4] J. Chen, H. Chu, Y. Huang, Y. Lai, Z. Liu, M. Chen, D. Fang. Ultrabroadband compact lens antenna with high performance based on a transmission gradient index medium. J. Phys. D: Appl. Phys. 2021,54, 175101
論文鏈接：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6463/abddf9
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