超透镜属于相位型超表面的一种,利用一定数量的亚波长单元结构的有序排布,在材料界面引入相位梯度,实现对电磁波的相位,振幅和偏振态等属性的任意调控。相比于金属型超透镜,介质型的超透镜由于其本身损耗低和效率高,成为目前亚波长结构实现电磁波成像方向的热门。本文针对介质型超透镜的组成单元结构厚度高和加工难度大的问题,研究和设计了一种基于高低折射率介质结构的增强型米氏共振超透镜,降低了超透镜组成单元材料的厚度,从而降低了制造难度和成本。更重要的是,本论文提出基于高低折射率介质结构的增强米氏共振型超透镜的研究,对于从金属型到介质型的超透镜结构的研究转变趋势下,具有重要的理论研究与设计应用意义。本文的研究内容如下:1.详细阐述了相位型超表面产生的基本原理和计算方法。严格讨论了介质型超透镜的米氏共振的物理机制,并就单个超透镜单元和完整透镜的光学特性进行了仿真计算。通过有限时域差分原理的模拟计算出单个超透镜组成单元内部的电磁场强分布,以及完整透镜的聚焦场强分布。2.基于超透镜研究现状和发展趋势,本论文研究和设计一种基于高低折射率介质材料组合的增强型米氏共振超透镜结构。通过对该类型透镜结构内部的电磁场仿真,研究分析了透镜的各种光学性能参数。结果表明,给定超透镜的工作波长在1300nm至1600nm近红外波段,能够实现超透镜相位的0到2π任意调节,在同等结构厚度参数条件下,相比于普通米氏共振调节型超透镜具有更强的相位调制能力,相对于基于金属等离子体型超透镜的相位调制曲线更加平滑,有利于超透镜的实验制备。3.研究不同尺寸的完整超透镜的焦深范围(DOF)、焦斑大小(WOF)和光强分布等光学性能。分别计算和分析了单元数分别为31×31(完整透镜尺寸为31μm,单元尺寸1μm)、41×41(完整透镜尺寸为41μm,单元尺寸1μm)和51×51(完整透镜尺寸为51μm,单元尺寸1μm)的超透镜结构,在工作中心波长为1450nm和设计焦距分别为6μm、10μm、15μm和20μm的聚焦场强分布和光斑质量等光学输出特性。结果表明,超透镜的聚焦光斑的大小都接近于衍射极限时的光斑大小,随着单元数(透镜完整镜面尺寸)的增加,整个焦平面的散射光分布减少,聚焦效率增大,实际焦距和设计焦距的失配误差减小。单元数为51×51的超透镜分析结果中,聚焦效率稳定在51%以上,即增大超透镜单元数能够有效提高聚焦光斑的质量和有效的聚焦效率,且设计焦距为6μm时,聚焦效率达到了最高的65.8%,焦距失配误差最大值仅为3.0%,最小误差达到0.4%。进一步研究探索该类型增强型米氏共振超透镜的异常偏折功能和宽带消色差功能,通过波前编码调节异常偏折的结果表明,透镜将斜入射平面光角度为10°的倾斜光矫正到了约2°的倾斜光,同时聚焦光斑的焦深范围也有所增大;该透镜结构也在带宽100纳米以上的范围内实现了消色差功能。