可见光波段三维Luneburg透镜的广视场理想成像及其多光子制备

The Lüneburg Lens is an appealing spherical device based on graded index (GRIN) optics material, which can take rays incident from infinity and focus them perfectly. It is a device for wide field-of-view, aberration-free imaging. The Lüneburg lens has been widely used for microwave applications, such as radio astronomy and low-orbit satallite communications, and may be useful in future nano-optics and on-chip integrable photonics. In optical frequencies, current researches mainly foucs on two-dimensional (2D) Lüneburg lens due to the fabrication difficulty of three-dimensional (3D) GRIN material. In this project, we will study the electromagnetic wave propagation in 3D Lüneburg lens by using analytical modeling and numerical simulations, analyse the imaging features of Lüneburg lens with different index distributions, and investigate the imaging limit of 3D Lüneburg lens fabricated by realistic materials. We will create 3D GRIN materials with multi-photon direct laser writing, fabricate turely 3D Lüneburg lens in optical frequencies, and test the wide field-of-view, abberation-free ideal imaging features of Lüneburg lens. Based on the results of ideal imaging, we will further investigate the possibility of subwavelength imaging properties with 3D dielectric Lüneburg lens.

Lüneburg透镜是一种基于梯度折射率材料的球形透镜，它能够把入射平行光集中到透镜表面或外部一点上，实现广视场、无像差的理想成像。目前Lüneburg透镜已被广泛应用于广角度、高定向、无像差的射电天文和低轨道卫星通信等微波领域中，在微纳光学及片上集成光学也具有巨大的潜在应用价值。在可见光及近红外波段，由于三维梯度折射率材料的加工非常困难，当前国内外研究主要集中在柱对称二维结构上。本项目将利用解析方法及数值仿真研究广义Lünebur透镜中电磁场的传输规律，分析不同折射率分布的Lüneburg透镜的成像特性，探索基于现实可用介质材料的Lüneburg透镜的理想成像极限；利用多光子激光直写加工技术加工光波段的梯度折射率等效介质材料，制备工作在光频率的三维Lüneburg透镜，实现三维光波段广视场、理想成像研究，并进一步探索利用全介质Lüneburg透镜实现超越衍射极限的超分辨成像的可能性。

Luneburg透镜，一个经典的渐变折射率分布的球形透镜，具有无像差理想成像和理想聚焦的新奇物性。根据电磁等效介质近似理论，其内部渐变的折射率分布可通过渐变超材料等效为渐变折射率介质来实现，但受现有微纳加工方法的限制，目前已报道的Luneburg透镜研究主要集中在二维结构，光波段三维Luneburg透镜的可控制备加工仍然面临极大挑战。本项目从波动光学角度理论上解析了三维渐变周期光子超材料调控光传输的机理，设计并制备了工作在红外波段基于渐变超材料结构的3D Luneburg 透镜模型，第一次原创地将真三维的Luneburg 透镜的工作波长降低至光波段。取得的研究成果包括：1）设计了一种结构渐变的2D Luneburg 透镜模型，解析了电磁波在Luneburg 透镜中传输方向控制机理；2）基于有限元仿真，解析了光波在Luneburg 透镜结构中“全方向”和“各向异性”的理想聚焦特性；3）首次设计并实现了工作在光波段的3D Luneburg 透镜模型；4）基于扫描近场光学显微镜SNOM，实现光波段3D Luneburg 透镜理想三维聚焦特性的表征，其三维聚焦光斑强度的半高全宽（full-width at half-maximum，FWHM）为0.52*lamda，其精度接近经典光学成像的衍射极限。基于有限元的3D聚焦光场仿真结果与实验测量结果相吻合。本项目国际上首次将3D Luneburg透镜的工作波段从微波延伸至光波段，使对3D Luneburg透镜的研究从宏观的微波领域转向光学领域迈进了坚实的一步，该研究成果将进一步促进微小光学和变换光学的发展，并拓展纳米级3D打印技术在微纳米器件领域中的全新应用。这项研究成果以封面论文形式发表在光学领域顶级期刊《Laser & Photonics Review》上，同时被国内《物理》杂志以“研究快讯”的形式报道，并以封面故事刊载。本项目共发表标注研究论文29篇，第一、二标注的论文9篇，其中，SCI检索21篇，EI检索4篇，影响因子大于3.0的论文13 篇，授权发明专利4项。培养博士研究生5人，硕士研究生1人。