基于波导超表面的准远场横向电超级透镜

据麦姆斯咨询报道，由西北工业大学、西安工业大学、合肥工业大学、香港理工大学、香港大学和香港城市大学的研究人员组成的联合团队于Opto-Electronic Advances发表了基于波导超表面的准远场横向电超级透镜（superlens）的最新论文。

图1：（a）由在玻璃基底上的金膜上穿孔的宽度变化的纳米狭缝阵列形成的超级透镜的图示，纳米狭缝的宽度w是可变的；（b）在TE偏振平面波的法向照射下的基于光学干涉原理的超级透镜聚焦示意图，d为金膜厚度，f为焦距。

作为光学聚焦成像的关键部件，透镜已被广泛应用于显微成像、微纳制造等诸多重要技术之中。在使用传统光学透镜的成像过程中，只有传播波参与图像的形成，而携带物体细节信息的高频倏逝波通常不会被激发，这导致成像分辨率被光的衍射限制在约0.61λ/NA。这种分辨率限制对相应焦点的物理尺度和透镜观察物体细节的能力造成了根本性限制，也阻碍了光学成像、纳米光刻和其他相关技术的发展。因此，突破衍射极限，实现超分辨率聚焦成像具有重要意义。

在过去二十年中，许多理论和实验工作都致力于克服上述障碍。2000年，英国伦敦帝国理工学院（Imperial College London）的教授John Pendry爵士，从概念上提出了一种由负折射率平板构成的完美透镜（perfect lens），可以聚焦通过透镜的强烈增强的倏逝波产生的所有傅里叶分量。受到这一理论提议的启发，美国加州大学伯克利分校（UC Berkeley）的Xiang Zhang教授开发了一种基于超薄银板的超级透镜，通过激发表面等离子体激元（SPP）来恢复和增强倏逝波，其成像分辨率低至λ/6。此外，利用表面等离子体激元的优势，各种金属纳米结构也实现了光的超分辨率聚焦。然而，这些器件的工作距离只有几十纳米，即工作在近场范围内，这严重限制了它们的实际应用前景。近年来，许多基于超表面（metasurface）的具有各种金属和介电纳米结构的平面透镜——称为超透镜（metalenses）已经被提出，它们可以实现具有许多新功能的远场聚焦。然而，这些现有的超透镜都不能实现准远场或远场超分辨率聚焦。

为了同时克服超级透镜和超透镜的局限性，西北工业大学虞益挺教授和香港城市大学雷党愿博士等研究人员组成的联合团队报道了一种基于波导超表面的准远场横向电（transverse-electric，TE）超级透镜，能够在约1.5μm的焦距处将可见光至紫外光聚焦到小至λ/4.13（照射波长为405nm）的焦点。此外，这种超分辨率聚焦能力可以通过在高折射率电介质环境中操作器件来进一步提高，从而实现光的真正深度亚波长聚焦。超级透镜由TE偏振光照射下的金属—电介质—金属（MIM）波导阵列形成。与先前的横向磁（transverse-magnetic，TM）波导模式相比，TE模式的相位延迟随着MIM波导宽度的增加而增加，这使得MIM波导的纵横比显著降低，从而有利于器件制造。研究人员强调，所开发的基于波导超表面的TE超级透镜可以在准远场区实现光的超分辨率聚焦，这是以前的TM超级透镜无法实现的，在之前的TM超级透镜中，像SPP这样的高空间频率表面波位于近场区域并从表面快速衰减。

图2：准远场超分辨聚焦超级透镜的实验演示。（a）使用聚焦离子束（FIB）制造的超级透镜的扫描电子显微照片；（b）在x=0处的y-z平面上被测量光强度分布；（c）焦平面上的被测量和FDTD模拟的光强度分布。

更重要的是，这篇论文的作者们对潜在的物理机制提出了清晰的理论理解，并提供了超表面超级透镜的相应实验验证。他们表明，激发TE波导模式不仅可以调制其光学相位，还可以激发倏逝波。因此，一些高空间频率波有助于器件的聚焦，从而实现光的准远场超分辨率聚焦。为了通过实验验证器件的超分辨率聚焦性能，研究人员利用聚焦离子束（FIB）制造了一个浸没在雪松油中的超表面超级透镜。光学测量表明，在405nm的光照射下，所制造的器件在1.49μm（即3.68λ）的焦距处具有98 nm（即λ/4.13）的焦点，大大突破了准远场区λ/2.38的衍射极限。对所制造的超级透镜的实验测量结果与数值模拟和理论预测结果非常吻合。经过验证的基于超表面的超级透镜具有如此非凡的超分辨率能力，为开发超高分辨率纳米光刻和超小型光电器件提供了一条令人兴奋的途径。

论文信息：

Zhu YC, Chen XL, Yuan WZ, Chu ZQ, Wong KY et al. A waveguide metasurface based quasi-far-field transverse-electric superlens. Opto-Electron Adv 4, 210013（2021）.

https://doi.org/10.29026/oea.2021.210013

关键词：

超级透镜/超表面/波导/准远场超分辨率聚焦/突破衍射极限

作者简介：

虞益挺，西北工业大学空天微纳系统教育部重点实验室教授。研究重点是微/纳米光学成像和传感，以及用于航空航天及相关领域的高性能、低成本和超小型微/纳米光电功能芯片的开发。已发表研究论文89篇，其中以第一作者或通讯作者（包括JMEMS、JMM、OE、OL、Nanoscale、AOM）发表SCI论文44篇，获授权中国发明专利17项。先后主持国家自然科学基金（优秀青年）等项目10余项，获得多项重要奖项和荣誉，包括：
1. 国家技术发明二等奖
2. 教育部全国百篇优秀博士论文奖。

雷党愿，香港城市大学材料科学与工程系副教授。研究兴趣集中在低维材料和结构的等离子体激元和纳米光子学，特别关注纳米级等离子体增强光—物质相互作用及其在高效光收集、先进生物传感和生物成像中的应用。已在著名的学术期刊上发表了超过155篇科学论文，其中包括1篇Nature Photonics、3篇Nature Communications、1篇Science Advances、3篇Light: Science & Applications、3篇Physical Review Letters、13篇Advanced （Functional）Materials、17篇Nano Letters和ACS Nano、3篇Angewandte Chemie，被引用6120次，h指数46。获授权美国发明专利1项，获得多项重要奖项和荣誉，包括：
1. Nano Research Young Innovator Award of Springer Nature Nano Research（NR45），2021
2. 国家自然科学基金优秀青年科学基金（港澳），2020
3. Anne Thorne PhD Thesis Prize和Deputy Rector’s Award，帝国理工学院，2012年和2018-2011年。