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超表面(Metasurfaces)是超材料的二维等价物,通过在两种介质的界面处安置设计好的纳米天线阵列可制成超表面。传统天线的尺寸足够小以至于能够对光波或者近红外波段电磁波产生响应,则可称其为纳米天线。通过设计构成超表面的纳米天线阵列,可以得到具有各种功能的超表面。不同于传统的光学系统,超表面对光波的相位调控不依赖于光传播路径上的相位积累,所以超表面的厚度可以远小于入射光波长。但是由于金属具有欧姆损耗,限制了光波操纵的效率。使用介质材料来代替金属制作纳米天线成为另一种途径。另一方面,随着人们对微观世界的探索,具有小焦斑、高分辨率的光学镜片不可或缺。远场亚波长显微成像要求镜片能够将入射光束聚焦到纳米级的区域内。然而,由于存在衍射极限,传统光学系统不能在远场区得到半峰全宽(Full Width at Half Maxima,FWHM)小于半个波长的聚焦光斑。本文设计了一种用于实现亚波长聚焦的超表面,该超表面由三层结构组成:顶层为高折射率(nSi=3.7)的硅纳米天线,中间层为低折射率(nspacer=1.45)的间隔层,最底层为银反射层。由于反射层的存在,使得该超表面的聚焦效率高达85%以上。本文在简单回顾了超表面的发展现状后,接着简要介绍了仿真所使用的时域有限差分法(Finite Difference Time Domain,FDTD),文中的仿真结果来自于商业仿真软件FDTD Solutions(Lumerical Solutions Inc.,Vancouver,Canada)。接着本文仿真研究了金属纳米天线的表面等离子体共振和介质天线的电磁偶极子共振,证明两种共振均能对散射波相位和幅值进行调制,打破天线所在位置处的相位连续性。而相位不连续时,波束在界面上的传输遵循广义斯涅耳定律。文中引入了类似法布里-珀罗腔的多重反射模型用以分析超表面的高效性来源。结果表明,优化顶层硅纳米块和中间间隔层的厚度后,超表面具有极高的反射率(97%以上)和较宽的频谱响应(800 nm-1200 nm)。最后,通过计算超表面上的相位分布,在扫描得到的结果中选择能提供所需相位的天线组成阵列,以实现波束偏折和聚焦。结果表明,波束偏折超表面在改变入射角时,其反射或透射遵循广义斯涅耳定律。对于聚焦超表面,设定焦距为10μm,入射电磁波波长为1000 nm,其聚焦光斑的FWHM可以小于入射波长的一半(440 nm),并分析了数值孔径(Numerical Aperture,NA)、入射波长和入射角对超表面聚焦效果的影响。