2021年6月18日，国际顶级光学期刊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”为题，在线报道了北京理工大学先进技术结构研究院方岱宁院士团队在结构型宽带微波透镜方面的研究进展。博士生陈锦为论文第一作者，厦门大学陈焕阳教授和北京理工大学陈明继副研究员为本文的共同通讯作者。
相对于采用金属超材料设计的窄带透镜，梯度折射率透镜能够在更宽的频率范围内实现无色差高分辨聚焦和远场放大等功能。研究团队受到经典鱼眼透镜的启发，通过提高聚焦点处的折射率，引入透镜边界处的全反射机理，从而提高了透镜的聚焦精度，如图1所示。通过基元结构设计和精细加工，实现了聚焦半径0.15λ水平的大数值孔径宽带高分辨聚焦微波透镜，这样的聚焦精度水平原来只在窄带的金属超材料透镜中达到过。
图1 四个麦克斯韦鱼眼透镜的聚焦性能，n0 从 1 增加至2.5。
选取4种介电常数分别为 12，9，7，6的全介质低色散低损耗材料进行结构设计和制备。根据与圆心距离的不同，将透镜结构介电常数的空间分布进行阶梯化离散，每一阶梯的等效折射率选择相应的材料设计对应的亚波长尺度微结构。根据光路可逆，聚焦点处的高精度聚焦可以在远场被识别。相关仿真结果如图2所示。
图2 透镜的结构设计及其仿真结果
微波近场扫描实验表明该透镜的聚焦精度与理论预期高度吻合，且实现了宽带无色差高精度聚焦。远场测试结果证实该透镜可实现高隔离度的高精度双输入双输出。基于可见光与微波在物理机制上的相似性，可以通过十纳米级别的微结构将本文结果推广到可见光透镜应用中。
图3 透镜样品的实验结果
相关论文链接：
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