高效率超高数值孔径自由形状超透镜

                分享：

作为超透镜的一个重要参数，数值孔径（Numerical Aperture, NA）表征了超透镜的光场聚焦及分辨能力。高NA超透镜具有大角度光收集能力以及高分辨率，在平面光学聚焦、显微成像等领域具有重要应用。由于局域周期性假设及矢量场效应的影响，传统超透镜的聚焦效率会随着NA的增大而急剧下降。如何实现高效率、高NA超透镜是平面光学领域面临的重要挑战。

针对上述挑战，本团队研究人员利用平面波展开法，建立了无反射、无损耗超透镜的矢量衍射理论模型。基于该模型，系统研究了高NA超透镜的效率损失问题，揭示了正向设计结构与理论模型之间的聚焦效率差距。研究结果表明，在不同的NA区域，超透镜效率损失源于不同的物理机制，包括相位欠采样以及局域周期性导致的场分布误差等。

在上述理论分析基础上，本文采用基于伴随仿真的拓扑优化方法，逆向设计了高效率、高NA自由形状超透镜。在拓扑优化过程中，采用了“与理想场的相似性”作为优化目标。此外，为了保证加工可行性、消除拓扑优化过程中出现的不规则多孔结构，本文还引入几何约束控制方法，并成功将最小特征尺寸从5nm提升到了100nm。在NA=0.95情况下，几何约束后的自由形状超透镜的聚焦效率（3倍FWHM）仍高达29.1%。

  相关成果以“Toward High-Efficiency Ultrahigh Numerical Aperture Freeform Metalens: From Vector Diffraction Theory to Topology Optimization”为题发表在国际光学著名期刊Laser & Photonics Reviews上（DOI：10.1002/lpor.202200265），并被选为封面文章。

图1 左图，论文封面图；右图，自由形状超透镜设计结果