可见波段具有亚波长分辨率与衍射极限聚焦的超材料透镜

亚波长分辨率成像需要高数值孔径的透镜。传统的高数值孔径透镜是包含多个混合透镜体的体材结构，加工成本高且不易集成，应用受到了很大的限制。可见波段具有高数值孔径的单一形式透镜，在成像、显微分析以及光谱分析中具有广泛的迫切的需求。虽然可见波段的平面透镜可以通过衍射部件实现，但其数值孔径与效率仍满足不了要求。

最近，美国哈弗大学的M Khorasaninejad 等，设计构建了一种透射介质超材料透镜，结构如图1所示。这一结构采用了高深宽比的TiO₂纳米鱼鳍作为组成基本单元。为了在特定的波长获得球形透镜的作用效果，每个纳米鱼鳍结构单元的位置、相位以及透镜的焦深之间需要满足特定的关系。其中鱼鳞结构的相位谱是通过对每一单元分别进行一定量的旋转获得的。鱼鳞结钩的加工过程包括首先利用电子束光刻获得特定尺寸的ZEP 520A光刻胶结构，然后通过原子层沉积获得可见波段透明且折射率较高的非晶TiO₂，进一步通过反应离子干法刻蚀将鱼鳞结构上表面的非晶TiO₂去除，通过剥离将光刻胶溶解，最后得到高深宽比的TiO₂纳米鱼鳍阵列结构，如图1 所示。所加工的透镜的数值孔径达0.8，对405, 532与660 nm波长的光在衍射极限的聚焦效率分别为86, 73与66%.；能对间隔亚波长间距的纳米颗粒进行较高分辨成像并提供放大倍数为170×的高质量图像，如图2所示。有望用于基于激光的成像，显微分析与光谱分析。

图1：超材料透镜的设计与加工

图2：直径为2μm，焦距为0.725 mm的超透镜成像（入射光波长为532 nm）。