Light | 全角度无反射的负折射透镜

说明：本文来自论文作者投稿

传统的折射定律告诉我们入射光线与折射光线会分布在光学界面的法线两侧。这一规律在新的光学研究中被打破，因为人们发现了一种被称为“负折射”的折射现象。在负折射现象中，入射光线与折射光线会分布在光学界面法线的同一侧。

近年来，随着人工光学结构研究的快速发展，负折射效应在双负超构材料、光子晶体、手性超构材料、表面等离激元和双曲超构材料等不同的光子系统中都得到了验证。并且，这一现象也被推广到了声学系统、电子系统等其他多种物理体系中。

全角度的负折射指的是在任意改变入射角大小的情况下，所有入射的光线都会发负折射。这种现象能够为我们提供一种理想的光学透镜，因为：

· 一方面这种透镜不需要改变介质层传播方向的厚度，可以实现所谓的“平面透镜”；

· 另一方面由于负折射现象对近场倏逝信号的放大，这种透镜可以实现相比于传统透镜分辨率更高的光学成像，也就是所谓的“超分辨成像”。

然而，由于界面阻抗的不匹配和入射角范围的限制，大多数情况下，我们都只能在有限的入射角范围内观察到负折射现象，并且只能保留极低的透过率。

最近，基于拓扑原理的新型人工光子结构的实现为光学超构材料提供了新的设计思路。这些新的光子系统能够产生具有拓扑保护传播特性的奇异光学表面态。

有研究表明，没有任何反射的表面波负折射现象能够发生在声子Weyl结构的某些棱边上。Weyl结构指的是其三维能带能带结构中存在拓扑非平庸的简并点，也称为Weyl点。然而，由于表面波模式色散的高度各向异性，能够产生这种负折射效应的入射角范围也是非常有限的。

目前，相关研究中均未发现可以实现全角度无反射的负折射 (All-angle REflectionless Negative refraction, AREN) 的物理系统。

鉴于此，近日，深圳大学的刘亚超博士和汪国平教授、英国帝国理大学的John Pendry教授、以及香港大学的张霜教授提出了一种利用拓扑保护光学表面态实现全角度无反射的负折射效应的新方案，得到了一种能够收集从光源处发出的所有能量的理想平面透镜。

该研究工作以All-angle reflectionless negative refraction with ideal photonic Weyl metamaterials为题于2022年9月19日在线发表在Light: Science & Applications。

在这项工作中，研究团队提出可以利用最小的理想光子Weyl系统中的表面态来实现AREN。最小的理想光子Weyl系统指的是这种材料的能带结构中仅包含两个位于相同频率的Weyl点，且Weyl点存在的频率区域内没有其它的附加能带的存在。

通过将磁性的旋电材料引入到环状节线型的 (nodal-line) 超构材料中，并施加外加磁场打破系统的时间反演对称性，研究团队实现了这种最小的理想光子 Weyl 系统。

在此基础上，通过理论计算，研究团队发现在完美电导体PEC和完美磁导体PMC两种边界条件下，该系统的表面波模式可以分别模拟在具有正折射率和负折射率的介质中传播的电磁波。

并且，由于这两种表面波模式均具有拓扑保护的特性，界面处的反射现象会被全部消除。因此，与以往报道的全角度负折射方案不同，该系统中的界面反射率不会因为正负介质界面处的阻抗匹配问题而产生变化。

该项研究表明，一种能够收集从光源处发出的所有能量的平面透镜是有可能实现的，这种透镜的实现也将为光学成像和光束粒子操控等应用的发展提供更加理想的工具。

1. 全角度无反射的负折射现象的基本原理

在普通的负折射现象中，正负材料界面处的折射规律如图1a所示。其中，左图中的圆圈代表两种介质在动量空间中的等频轮廓，空心箭头表示群速度的方向，标注为i，r，t的箭头分别表示入射、反射和透射的波矢，灰色虚线表示横向动量匹配情况，对应的实位置空间中的折射现象则如右图所示。可以看到，在这种情况下，不同角度入射的光线一部会在界面处被反射，另一部分在通过界面之后发生汇聚。

而与之不同的是，当正负两种介质在动量空间中的等频轮廓如图1b左图所示为两个半圆时，介质中的反射分量被禁止，不同角度入射的光线全部通过界面汇聚到另一侧，如图1b的右图所示。

图1: 普通全角度负折射效应与全角度无反射负折射效应(AREN)的对比示意图
图源： Light Sci Appl  11, 276 (2022) Fig 1

2. 理想平面透镜的实现

通过严格的理论计算，研究团队发现在最小的理想光子Weyl系统的PEC边界和PMC边界上存在的表面波模式具有如图1b所示的半圆形的等频轮廓。以此为基础，他们构建了如图2a所示的实际模型，并通过全波数值仿真的方法观察到了如图2b,c中所示的电场分布。最后，研究团队还验证了通过近似的PEC和PMC材料实现全角度无反射的负折射现象的可能性，如图2e，f所示。

图2:  基于AREN实现的全角度无反射的负折射平面透镜。
a结构示意图；b-e计算得到的界面电场分布。
 图源： Light Sci Appl  11, 276 (2022) Fig 4

3. 总结与展望

目前，文章中提到的最小理想光子Weyl材料的实现方案对实际的加工工艺提出了很高的要求，并且需要提供均一的外部磁场环境，因此仍存在许多可以优化的地方。未来，希望可以通过更加精简的结构设计来实现这样的理想光子Weyl材料。另外，通过引入不同的具有旋电响应的磁性介质（例如太赫兹频段的InSb半导体），有望可以在不同的频率范围上实现同样的全角度无反射负折射效应，从而开展相关的应用研究。

| 论文信息 |

Liu, Y., Wang, G.P., Pendry, J.B. et al. All-angle reflectionless negative refraction with ideal photonic Weyl metamaterials. Light Sci Appl 11, 276 (2022). 

https://doi.org/10.1038/s41377-022-00972-9

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