由西北工業(yè)大學(xué)、西安工業(yè)大學(xué)、合肥工業(yè)大學(xué)、香港理工大學(xué)、香港大學(xué)和香港城市大學(xué)的研究人員組成的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)于Opto-Electronic Advances發(fā)表了基于波導(dǎo)超表面的準(zhǔn)遠(yuǎn)場橫向電超級透鏡（superlens）的論文。

圖1：（a）由在玻璃基底上的金膜上穿孔的寬度變化的納米狹縫陣列形成的超級透鏡的圖示，納米狹縫的寬度w是可變的；（b）在TE偏振平面波的法向照射下的基于光學(xué)干涉原理的超級透鏡聚焦示意圖，d為金膜厚度，f為焦距。

作為光學(xué)聚焦成像的關(guān)鍵部件，透鏡已被廣泛應(yīng)用于顯微成像、微納制造等諸多重要技術(shù)之中。在使用傳統(tǒng)光學(xué)透鏡的成像過程中，只有傳播波參與圖像的形成，而攜帶物體細(xì)節(jié)信息的高頻倏逝波通常不會被激發(fā)，這導(dǎo)致成像分辨率被光的衍射限制在約0.61λ/NA。這種分辨率限制對相應(yīng)焦點(diǎn)的物理尺度和透鏡觀察物體細(xì)節(jié)的能力造成了根本性限制，也阻礙了光學(xué)成像、納米光刻和其他相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。因此，突破衍射極限，實(shí)現(xiàn)超分辨率聚焦成像具有重要意義。

在過去二十年中，許多理論和實(shí)驗(yàn)工作都致力于克服上述障礙。2000年，英國倫敦帝國理工學(xué)院（Imperial College London）的教授John Pendry爵士，從概念上提出了一種由負(fù)折射率平板構(gòu)成的透鏡（perfect lens），可以聚焦通過透鏡的強(qiáng)烈增強(qiáng)的倏逝波產(chǎn)生的所有傅里葉分量。受到這一理論提議的啟發(fā)，美國加州大學(xué)伯克利分校（UC Berkeley）的Xiang Zhang教授開發(fā)了一種基于超薄銀板的超級透鏡，通過激發(fā)表面等離子體激元（SPP）來恢復(fù)和增強(qiáng)倏逝波，其成像分辨率低至λ/6。此外，利用表面等離子體激元的優(yōu)勢，各種金屬納米結(jié)構(gòu)也實(shí)現(xiàn)了光的超分辨率聚焦。然而，這些器件的工作距離只有幾十納米，即工作在近場范圍內(nèi)，這嚴(yán)重限制了它們的實(shí)際應(yīng)用前景。近年來，許多基于超表面（metasurface）的具有各種金屬和介電納米結(jié)構(gòu)的平面透鏡——稱為超透鏡（metalenses）已經(jīng)被提出，它們可以實(shí)現(xiàn)具有許多新功能的遠(yuǎn)場聚焦。然而，這些現(xiàn)有的超透鏡都不能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)遠(yuǎn)場或遠(yuǎn)場超分辨率聚焦。

為了同時克服超級透鏡和超透鏡的局限性，西北工業(yè)大學(xué)虞益挺教授和香港城市大學(xué)雷黨愿博士等研究人員組成的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)報道了一種基于波導(dǎo)超表面的準(zhǔn)遠(yuǎn)場橫向電（transverse-electric，TE）超級透鏡，能夠在約1.5μm的焦距處將可見光至紫外光聚焦到小至λ/4.13（照射波長為405nm）的焦點(diǎn)。此外，這種超分辨率聚焦能力可以通過在高折射率電介質(zhì)環(huán)境中操作器件來進(jìn)一步提高，從而實(shí)現(xiàn)光的真正深度亞波長聚焦。超級透鏡由TE偏振光照射下的金屬—電介質(zhì)—金屬（MIM）波導(dǎo)陣列形成。與先前的橫向磁（transverse-magnetic，TM）波導(dǎo)模式相比，TE模式的相位延遲隨著MIM波導(dǎo)寬度的增加而增加，這使得MIM波導(dǎo)的縱橫比顯著降低，從而有利于器件制造。研究人員強(qiáng)調(diào)，所開發(fā)的基于波導(dǎo)超表面的TE超級透鏡可以在準(zhǔn)遠(yuǎn)場區(qū)實(shí)現(xiàn)光的超分辨率聚焦，這是以前的TM超級透鏡無法實(shí)現(xiàn)的，在之前的TM超級透鏡中，像SPP這樣的高空間頻率表面波位于近場區(qū)域并從表面快速衰減。

圖2：準(zhǔn)遠(yuǎn)場超分辨聚焦超級透鏡的實(shí)驗(yàn)演示。（a）使用聚焦離子束（FIB）制造的超級透鏡的掃描電子顯微照片；（b）在x=0處的y-z平面上被測量光強(qiáng)度分布；（c）焦平面上的被測量和FDTD模擬的光強(qiáng)度分布。

更重要的是，這篇論文的作者們對潛在的物理機(jī)制提出了清晰的理論理解，并提供了超表面超級透鏡的相應(yīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。他們表明，激發(fā)TE波導(dǎo)模式不僅可以調(diào)制其光學(xué)相位，還可以激發(fā)倏逝波。因此，一些高空間頻率波有助于器件的聚焦，從而實(shí)現(xiàn)光的準(zhǔn)遠(yuǎn)場超分辨率聚焦。為了通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證器件的超分辨率聚焦性能，研究人員利用聚焦離子束（FIB）制造了一個浸沒在雪松油中的超表面超級透鏡。光學(xué)測量表明，在405nm的光照射下，所制造的器件在1.49μm（即3.68λ）的焦距處具有98 nm（即λ/4.13）的焦點(diǎn)，大大突破了準(zhǔn)遠(yuǎn)場區(qū)λ/2.38的衍射極限。對所制造的超級透鏡的實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果與數(shù)值模擬和理論預(yù)測結(jié)果非常吻合。經(jīng)過驗(yàn)證的基于超表面的超級透鏡具有如此非凡的超分辨率能力，為開發(fā)超高分辨率納米光刻和超小型光電器件提供了一條令人興奮的途徑。