2017年4月28日
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南京大学电子学院冯一军教授团队成功实现电磁波可重构有源超透镜

超构材料(metamaterial)是通过人工功能基元的设计和空间序构的排列来构筑新材料,它展现出许多自然材料所不具备的新奇超常力、热、光、声、电、磁等物理特性,形成了材料研究的新“范式”。超构材料是当前国际新兴的研究热点,超表面(metasurface)作为超构材料的二维形式,既突破了传统媒质电磁参数的局限性,又可大大缩小材料和器件的厚度,所具备的奇异电磁特性使电磁波调控器件的发展更加趋于小型化、平面化、共形化、多样化,大大拓展了人们对电磁波调控的手段和方法。2016年哈佛大学基于超表面概念研制的光学超透镜(metalens),因其可大幅减小镜片的尺寸和成本,可对目前大多数光学设备带来重大改变,入选了Science周刊评选的2016年十大科技突破。

然而,目前超表面透镜一经设计制备后,其焦距和成像性能就很难改变,限制了其进一步扩展功能和应用的范围。最近,南京大学电子学院冯一军教授团队将有源元素融入电磁超表面的设计中,提出了有源惠更斯超表面的设计方案,并成功设计研制了可重构有源惠更斯超透镜,实现了电磁波的动态聚焦,如图1所示。该工作于2017年2月24日在线发表在国际权威期刊Advanced Materials上面 [DOI: 10.1002/adma.201606422]。

该工作将微波变容管耦合到超表面单元的结构中,通过事先设定的程序可以独立、连续控制每个单元的电磁响应,从而实现了微波信号在任意焦点位置聚焦、任意多焦点聚焦及动态焦点的快速扫描等功能,如图2所示。所设计和制备的超透镜集亚波长厚度、接近衍射极限的焦斑、高透射效率、实时连续可重构性、任意程序控制和快速响应等优势于一身,有望使超表面和超透镜技术在实时、快速和复杂电磁波调控上得到应用,并为诸如动态全息成像和聚焦、波束整形和扫描、可调天线辐射等方面的实际应用奠定良好的基础,其设计概念和方法还可进一步拓展到太赫兹、红外和可见光领域,实现小型、高效的光学镜片和动态成像系统,应用前景广阔。

图1. 可重构超透镜实现电磁波的动态聚焦和多点聚焦切换示意图。

图2. 可重构超透镜性能测试实验(a, b)及其所实现的沿“南京大学”英文首字母“N”轨迹的连续动态扫描(c)。

该工作以“A Reconfigurable Active Huygens' Metalens”为题于2017年2月24日发表在国际权威期刊《Advanced Materials》(DOI: 10.1002/adma.201606422; http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201606422/full)。南京大学为第一作者单位,南京大学电子科学与工程学院博士生陈克为论文的第一作者,冯一军教授为共同通讯作者。相关工作由南京大学电子科学与工程学院与新加坡国立大学电子和计算机工程系仇成伟教授(共同通讯作者)课题组、美国德克萨斯州立大学奥斯汀分校Andrea Alù教授(共同通讯作者)课题组合作完成,南京大学电子学院姜田副教授、赵俊明副教授、朱博副教授及英国伯明翰大学张霜教授等也参与了工作。该工作受到了国家自然科学基金委项目、江苏省高校博士研究生创新计划、江苏省优势学科、江苏省“先进电磁波调控技术”重点实验室的资助。

(电子科学与工程学院 科学技术处)