太赫兹（THz）透镜是太赫兹系统的重要组成部分。基于超构表面（metasurface）的太赫兹超构透镜（metalenses）和传统笨重的透镜都受到色差/球面像差以及衍射极限的严重限制。因此，迫切需要研究消色差超分辨率（super-resolution）太赫兹透镜。
据麦姆斯咨询报道，近日，香港城市大学（City University of Hong Kong）太赫兹及毫米波国家重点实验室的研究团队提出了一种创新的太赫兹超构透镜设计方法，通过将所需的相位分布转换为具有特定厚度的折射率（RI）分布，并利用介电梯度超构材料（metamaterial）完成设计。3D打印制备的太赫兹超构透镜样品可在0.2 ~ 0.9 THz频率范围内实现消色差超聚焦，数值孔径（NA）达到0.555。该太赫兹超构透镜可高精度分辨约0.2 mm的亚毫米特征，例如FR4面板内的玻璃织物图案和树叶上的纤维组织，视场角（FOV）为90°。这种方法为实现太赫兹超分辨率成像提供了一种可行且具有成本效益的解决方案，在无损检测和生物医学成像领域具有广阔的应用潜力。这项研究成果以“3D-printed aberration-free terahertz metalens for ultra-broadband achromatic super-resolution wide-angle imaging with high numerical aperture”为题发表在Nature Communications期刊上。
利用这项研究提出的创新方法设计的具有宽视场的超分辨率消色差太赫兹超构透镜如图1所示。为了同时消除色差和离轴像差，首先需要重点考虑色差，色差表示预期性能参数相对于频率或波长的导数。对于超构透镜，色散是通过推导焦距（f）与频率（ω）的关系来评估的。消像差超分辨太赫兹超构透镜的理论设计如图2所示。
图1 实现消色差广角超分辨成像的消像差太赫兹超构透镜
图2 消像差超分辨太赫兹超构透镜的理论设计
该超构透镜的整体超构材料结构是利用3D打印技术制备而成的，图3a展示了该超构透镜的俯视图。为了通过实验验证所设计的太赫兹超构透镜的聚焦能力，研究人员设计了专门的实验装置来证明该超构透镜的消色差特性。图3b展示了所制备超构透镜在x-z平面的横截面电场强度分布。为了进一步验证该超构透镜的离轴聚焦性能，研究人员对实验装置进行了修改。在该实验设计中，有利于无离轴像差性能的最大入射角为45°。当转台从15°旋转到45°时，测得的x-y平面的电场分布如图3c所示。
图3 超构材料设计与消像差超分辨太赫兹超构透镜的实验演示
随后，研究人员建立了一个正入射双超构透镜成像系统（如图4a），以说明超构透镜实现超分辨率成像的能力。如图4b至图4e所示，研究人员利用该成像系统对几个典型的成像样本仔细检查，以评估其在质量检测、无损检测以及生物成像等领域的适用性。
图4 基于超构透镜的超分辨率成像系统的配置及成像演示
为了验证超构透镜的离轴成像性能，研究人员还在之前的正入射装置的基础上，建立了离轴超分辨率成像系统。图5比较了入射角分别为15°、30°、45°时的成像结果。
图5 当入射角θ分别为15°、30°、45°时的成像性能比较
综上所述，这项研究提出了一种太赫兹超构透镜的设计方法，该方法将相位分布转换为具有固定厚度的RI分布，从而同时消除了色差和离轴像差。研究人员使用3D打印技术制备的梯度超构材料旨在实现该RI分布。通过该方法，这项研究实现了0.2 ~ 0.9 THz的超宽带消色差超聚焦，半高全宽（FWHM）约为0.8λ。焦点的位置仅随入射角而变化，这证明了该超构透镜同时补偿色差和离轴像差的能力。超分辨率成像也通过解析亚波长特征得到了验证，例如FR4面板内的玻璃纤维和树叶上的纤维组织，空间分辨率可达0.2 mm。在离轴入射情况下，该成像系统保持了90°视场角下分辨亚波长特征的能力。这一策略为实现大视场超分辨率成像提供了可行的解决方案，对光学系统和太赫兹系统具有重要意义。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-55624-w
