可任意动态聚焦的可重构惠更斯超表面透镜

超构材料(metamaterial)是通过人工设计的基本单元及其空间序构的排列来构筑新材料,它可实现许多自然材料所不具备的新奇力、热、光、声、电、磁等超常物理特性,形成了材料研究领域的新范式。超构材料是当前国际新兴的研究热点,超表面(metasurface)作为超构材料的二维形式,既突破了传统媒质电磁参数的局限性,又可大大缩小材料和器件的厚度,所具备的奇异电磁特性使电磁波调控器件的发展更加趋于小型化、平面化、共形化、多样化,大大拓展了人们对电磁波调控的手段和方法。2016年哈佛大学基于超表面概念研制的光学超透镜(metalens),因其可大幅减小镜片的尺寸和成本,可对目前大多数光学设备带来重大改变,入选了Science周刊评选的2016年十大科技突破。

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1. 可重构超透镜实现电磁波的动态聚焦和多点聚焦切换示意图

目前超透镜一旦设计制备后,其焦距和成像性能将难以改变,因而限制了其功能及应用范围的进一步扩展。最近,南京大学电子学院冯一军教授团队与新加坡国立大学仇成伟教授及美国德克萨斯大学奥斯汀分校Andrea Alù教授合作,将有源元素融入电磁超表面的设计中,提出了有源惠更斯超表面的设计方案,并成功设计研制了可重构有源惠更斯超透镜,实现了电磁波的任意动态聚焦,如图1所示。研究人员将微波变容管耦合到超表面单元的结构中,通过预先设定的程序可以独立、连续控制每个单元的电磁响应,从而实现了微波信号在任意焦点位置聚焦、任意多焦点聚焦及动态焦点的快速扫描等功能。所设计和制备的超透镜集亚波长厚度、接近衍射极限的焦斑、高透射效率、实时连续可重构性、任意程序控制和快速响应等优势于一身,有望使超表面和超透镜技术在实时、快速和复杂电磁波调控上得到应用,并为诸如动态全息成像和聚焦、波束整形和扫描、可调天线辐射等方面的实际应用奠定良好的基础,其设计概念和方法还可进一步拓展到太赫兹、红外和可见光领域,实现小型、高效的光学镜片和动态成像系统,应用前景广阔。相关研究工作发表在Advanced Materials上(DOI: 10.1002/adma.201606422),南京大学电子科学与工程学院陈克博士为论文第一作者。

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