前沿进展|厦门大学陈焕阳课题组揭示固体浸润机制助力鱼眼透镜超分辨成像

“前沿进展”栏目，旨在介绍科研人员在光学领域发表的具有重要学术、应用价值的论文，促进研究成果的传播。部分论文将推荐参与“中国光学十大进展”评选。

撰稿|由课题组供稿

导读

近日，厦门大学物理科学与技术学院陈焕阳教授课题组将固体浸润式机制引入麦克斯韦鱼眼中实现了超分辨成像，为关于麦克斯韦鱼眼透镜能否实现超分辨的争论提供了一个解决方案，为渐变折射率透镜超分辨成像提供了新的思路。相关成果以 “Solid Immersion Maxwell’s Fish-Eye Lens Without Drain”为题发表在物理学期刊Physical Review Applied上（Phys. Rev. Applied 17, 034039 (2022)）。博士生周杨阳为第一作者，陈焕阳教授为通讯作者，博士生郝占磊和赵鹏飞亦对该工作理论计算有重要贡献。

研究背景

传统成像系统的分辨率不能超过衍射极限约半个工作波长，其原理是携带物体细节信息的波分量——倏逝波，不能够被传递到远场的像点。如何看得更小，如何实现超突破衍射极限的超分辨成像是一个重要的科学问题。在这方面，已经有很多的重要的工作被开展。在超材料领域，2000年Pendry教授理论上提出利用负折射材料放大倏逝波，实现完美成像。该工作提出后，引起了争论 。之后，张翔教授课题组利用银膜实现了弱化版的完美透镜，即超透镜，解决了这些争论。同时期，双曲超透镜也被提出和实现。但是，对于超透镜和双曲超透镜一些固有限制是工作带宽窄和材料损耗大。另一方面，固体浸润透镜也得到广泛的研究，它利用高折射率将倏逝波转换为传播波，实现超分辨成像。缺点是有像差和色差。能否设计出一个低损耗，宽波段消色差，无像差的超分辨透镜呢？2009年，Leonhart教授给出了答案，他利用正折射率麦克斯韦鱼眼透镜的几何完美成像特性, 在吸收体drain的辅助下能够实现完美成像，其中吸收体drain被放置于透镜的像点处。麦克斯韦鱼眼透镜是一种无像差和宽波段消色差的渐变折射率透镜。由于Drain的引入导致了该透镜成像有效性的争论，部分研究学者认为像不再是麦克斯韦鱼眼透镜固有性质，所成像的信息部分来自于drain的作用。

研究亮点

本文通过把固体浸润式机制引入麦克斯韦鱼眼透镜中，设计固体浸润式麦克斯韦鱼眼透镜，实现了突破衍射极限的超分辨成像，部分缓和了麦克斯韦鱼眼透镜能否实现超分辨成像的争论，为渐变折射率透镜超分辨成像提供了新的思路。此方法的优势在于既可以保留鱼眼透镜无像差和宽波段消色差的优点，又可以利用折射率转换倏逝波为传播波，参与成像。在本工作中，我们通过理论解析和实验验证了鱼眼透镜的超分辨成像效果。研究中发现，由于高折射率的引入会导致透镜和背景阻抗不匹配，在某些频率下会激发透镜内的回音廊模式（WGM），这会干扰超透镜的超分辨成像。文中解析计算结果证明，超分辨的失效的频率和WGM的本征频率一一对应。在样品设计过程中，计划通过有效媒质理论设计样品。然而，由于麦克斯韦鱼眼透镜的折射率沿r方向变化太陡峭，设计样品效果不理想然。基于固体浸润机制的通用性，我们选择了另一种无像差和宽波带消色差的渐变折射率透镜——广义龙伯透镜（其折射率相对于麦克斯韦鱼眼透镜的折射率沿r方向渐变更加平缓）结合固体浸润机制，开展实验间接验证固体浸润式麦克斯韦鱼眼透镜的超分辨效果。在文中，通过对比超透镜、双曲超透镜、固体浸润透镜和固体浸润式麦克斯韦鱼眼透镜超分辨率成像优缺点，发现固体浸润式麦克斯韦鱼眼透镜比较有优势（表1）。

表1. 超透镜、双曲超透镜、固体浸润透镜和固体浸润式麦克斯韦鱼眼透镜超分辨率成像优缺点比较

图1（a）固体浸润式麦克斯韦鱼眼透镜的渐变折射率分布图和透镜中的几何光线轨迹，在像点由于边界阻抗不匹配部分入射光线发射发生全反射。（b）–（d） 固体浸润麦克斯韦鱼眼透镜中的电场的强度分布和对应的 FWHM在频率为9、11 和14 GHz。其中红色曲线表示像面的归一化电场强度分布，可以发现像的FWHM趋近于0.2个工作波长。

图 2. 比较在11 GHz时，传统麦克斯韦鱼眼透镜和固体浸没式麦克斯韦鱼眼透镜的成像性能。（a）级联的传统麦克斯韦鱼眼透镜不能将够传递超分辨信息。（b） 级联的固体浸润式麦克斯韦鱼眼透镜透能够将超分辨信息传递到远场，这有望用于大容量通信。（c）两个间距为0.4λ（在频率 11 GHz）的点源分别放在（c）传统的麦克斯韦鱼眼透镜和（d）固体浸润式麦克斯韦鱼眼透镜的左边。固体浸润式麦克斯韦鱼眼透镜能够成功的识别这两个点源，而传统鱼眼透镜不具有这样超分辨成像能力。

图 3. 超分辨成像的实验验证。（a） 固体浸润式广义龙伯透镜渐变折射率分布图，其中紫色曲线表示透镜中的几何光线轨迹。（b）制备的固体浸润式广义龙伯透镜。（c）和（d）在透镜像面上沿 y 轴从−80至80 mm的归一化电场强度分布曲线图在12和15 GHz时。其中红色虚线表示实验结果，蓝色的实线表示模拟结果，实验和理论结果保持一致。

论文信息

在本工作中，通过将固体浸润式机制分别引入麦克斯韦鱼眼透镜和广义龙伯透镜中，成功的实现了超分辨成像，为克服衍极限提供了更多可能性。通过结合其它方法，例如变换光学和超表面等，麦克斯韦鱼眼透镜也许能够被用于设计其它类型的超分辨率器件。尽管本工作只在电磁波系统中验证，通过波动方程的类比，该设计方案也可以被扩展到弹性波和声波系统中。本研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中央高校基金等相关项目的支持。

文章链接：

https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.17.034039

本文转载自两江科技评论

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