利用超材料设计“完美”透镜

“完美”透镜是Pendry教授等人在2000年通过理论分析与推导提出一种全新的成像概念。由于左手材料(人工媒质)具有负折射率和消逝波放大特性,电磁波源发出的消逝波傅里叶分量由传统媒质进入人工媒质后不仅相位会得到纠正而且其幅度也会得到有效放大。这使得物体的信息在像点处得到完美恢复,突破了衍射极限对传统透镜分辨率的限制,实现了超分辨率(次波长)聚焦电磁波的目的。自此以后,各国科学家都先后投入到相关领域的实验与应用研究。同时,科学家们还发现基于金等金属的表面等离子体效应也可以实现光波段的高分辨率成像。但以往报道的完美透镜大部分是基于开口环谐振器(SRRs)的磁响应和金属线的电响应来提供左手负折射特性。由于谐振特性限制了透镜的工作带宽,增加了损耗,最终影响了透镜的分辨率。随后一些研究人员提出基于传输线来设计三维人工电磁透镜,极大地拓展了带宽并减小了损耗。

利用集总元件可以在有限的空间内随意调控传输线的电感和电容值,但基于该传输线设计的透镜只能低频工作,同时大量的集总元件和焊接会给设计带来误差和高昂的制作成本。而利用三维分布式传输线可以有效克服以上问题,但是这种传输线透镜是利用层叠超材料平板间的弱空间耦合来同时实现电响应和磁响应,单元结构的电尺寸较大,不能类似于SRRs结构发生亚波长谐振。较大的单元尺寸增加了入射电磁波的衍射效应,使得出射电磁波波前不平整,信号起伏,不连续性较大。同时,基于等效媒质理论设计的单元结构电磁特性与最终设计的人工媒质电磁特性有较大偏差。如何在任意频段内实现透镜的宽带工作和高分辨率成像,同时又能保证其廉价、简易的制作是设计高性能透镜和加速其实际应用必须解决的问题。在这种背景下,东南大学崔铁军教授的团队基于分形几何的概念来设计分布式传输线并最终设计和制作高性能透镜,有效地解决了以上问题。近期,崔教授的团队在Advanced Optical Materials期刊上描述了最新的三维“完美”透镜

崔教授在接受MaterialsViewsChina访谈时表示,该研究工作主要解决了以下两个技术难题。第一,透镜的自由空间测试问题。仿真计算中的电磁环境是封闭波导,而实际自由空间则是开放和有复杂电磁干扰的,这对于准确测试电尺寸较小的透镜来说非常不利。文献报道的实验增加一个聚焦透镜将能量集中在目标中心,但新透镜势必会带来额外的损耗和散射。在实验过程中,他们模仿波导环境,通过在木板上设计一个合适大小的传输通道并在其周围布满吸波材料,精心搭建了该装置,并采用时域门技术滤除多次反射。

第二,所采用的人工电磁结构比较精细,在精确仿真和加工制作上具有挑战性。根据崔教授在仿真上积累的经验,他们在HFSS软件中采用特殊的仿真设置和剖分,反复计算、调试和优化。在制作方面,微带加工工艺很容易造成样品局部或大范围的金属断裂,他们制作了多块样品并通过工程检测,精心选取样品。

He-Xiu Xu(许河秀)博士完成了设计、实验与等效电路提取并撰写了初稿,Tie Jun Cui(崔铁军)教授指导了整个设计并定稿,Guang-Ming Wang(王光明)教授指导了实验,Lianming Li和Mei Qing Qi 参与了实验平台搭建与测试。

这项工作对工程设计具有广泛指导意义。崔教授表示,下一步他们将从理论上进行传输矩阵分析并结合电路仿真进行参数提取,最后通过电磁仿真验证。基于该论文技术与方法设计的透镜,其工作频率可以进行任意设的计,而潜在应用包括:生物医学、微电子学、防御领域的成像应用,具体如肿瘤、地雷检测;X射线断层摄影术、显微镜方法、平板印刷术和遥感成像等。

徐 广臣 About 徐 广臣

MaterialsViewsChina专栏作者,同时为WILEY出版集团旗下的材料科学类期刊提供作者服务。

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