第３１卷第６期
２ ０ ｌ １年６月 咸宁学院学报
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｘｉａｎｎｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｖｏ１．３ｌ，Ｎｏ．６
一 望： 一．
文章编号：１００６—５３４２（２０１１）０６—０００４—０２
突破衍射极限的超透镜
张能平，伍 然
（武汉大学物理科学与技术学院，湖北武汉４３００７２）
摘要：由于衍射的存在，传统光学成像系统的分辨率受到极大的限制，突破不了阿贝极限．新型异质材料所形成
的“超透镜”却突破了这种极限限制，从而使得完美成像不再只是一个梦想．本文主要介绍这种超透现象的物理原
理及研究进展．
关键词：超透镜 衍射极限；完美成像 中图分类号：０４３ 文献标识码：Ａ
引言
１８７３年ＥｍｓｔＡｂｂｅ发现在光学中基本的衍射极限：当
一个物体通过光学系统来成像时，小于半个波长的细节部
分将永远得不到．这一现象的原理是，这些消失的细节信息
是由物体发射出来的高频波所携带，而这些亚波长的高频
波都是呈指数衰减的倏逝波，它们在极小的距离内就完全 衰减完，因而无法在远处得到这些细节信息，无法得到完美
成像，这就决定了传统光学成像系统的分辨率极限．数百年
来人们都在努力尝试突破这个极限，直至２０００年Ｐｅｎｄ￣提
出一块负折射率材料平板可以被视为“完美透镜”，在这块
平板里面倏逝波不再是呈指数衰减，而是被增强，这使得获
得亚波长的细节信息成为可能．
１超透镜物理原理
当一束光照射到一个物体时，该物体散射出来的的各
种具有不同波矢的波便记录了该物体的信息，这些散射出
来的波则可分为传播波和倏逝波，其中传播波承载的则是
该物体大体的特征信息，并且可以传播到远场，而记录该物
体亚波长信息的则是呈指数衰减、局域在近场的倏逝波，因
此无法在透镜的像平面上捕获到这些信息．但是当透镜是
由负折射材料所构成的话，这些近场的倏逝波就在通过透
镜时得到增强，出了透镜衰减到像平面时，其振幅则刚好和
原来相同（如图１，其中波浪线表示传播波，曲线表示倏逝
波）．同时传播波通过负折射材料时发生的负折射和相位反
转保证了传播波在像平面上的零相位改变．这样就可以完
全得到倏逝波和传播波信息实现完美成像．其中倏逝波能
在负折射材料中能够得到增强的原因是倏逝波能耦合到表
面模式中，并通过共振得到增强．
２超透镜的研究进展 基于Ｐｅｎｄｒｙ提出的理论，２００５年这种超透效率在一块
银平板上被观察到，通过用３６５ｎｍ的光波来照射，成功得
到６０ｎｍ（六分之一个波长）的分辨率，远低于衍射极限（图
２ ．
・收稿日期：２０１１－０３－２１ 自ｌ蝴瞄 隘 辫ｉ 鳆掰 镗鞠 Ｉ醢 。 Ｉ
翳
图（２）
图（２）中左部分为实验结构，其中银层则为“超透镜”，
右部分从上到下则分别对应的是共聚焦离子束显微镜、原
子力显微镜、原子力显微镜（结构用ＰＭＭＡ替换）照片，
“ＮＡＮＯ”字样的宽度为４０ｎｍ，白色标度为２微米．２００６年
另一实验组则充分利用ＳｉＣ材料较低的损耗将分辨率提升
到 第６期 张能平，伍然 突破衍射极限的超透镜 ５
了二十分之一个波长．
然而以上进行的超透镜实验成像也只是局域在像平面
的近场范围内，出了超透镜倏逝波将会继续衰减下去，因而
基于此原理设计的平板超透镜也只能是近场的．人们要将 倏逝波传播得更远，就要寻求新的途径来解决这一问题，如
将其转换为传播波进行传播如图（３）．２００７年，新型远场超
透镜诞生，通过在银板超透镜的表面附加上亚波长光栅，就
能达到将倏逝波增强，并转换为转播波的目的（图（４））．
其中仍然是通过银板来增大倏逝波，并进一步利用光
栅衍射原理将倏逝波转变为传播波．光栅衍射时满足
ｌ‘Ｉ＝ ±，， 其中ｋ ＝２￣ｒ／ｄ， ｋ 分别表示出射和入射波矢，ｄ是光栅
周期，１７１，是衍射极次．通过选择适当的参数，就能将高频的 倏逝波衍射成波矢相对较小可以传播到远场的传播波，这
样在远场再通过适当的装置将转化后的传播波还原成原来
的倏逝波，从而在远场得到了完整的信息，实现了远场成
像． 图（４）所示实验是通过用３７７ｎｍ波长的光波来照射刻
在ｃｒ上的两条宽为５０ｎｍ相隔７０ｎｍ的纳米线，并用扫描 电子显微镜、普通显微镜和远场超透镜得到的实验结果（从
上到下）．
２００７年３月，（Ｓｃｉｅｎｃｅ｝上报道了另一种名为“Ｈｙｐｅｒ－
ｌｅｎｓ”的超透镜采用的新方法实现远场成像（图（５））．这种
圆柱形具有双曲色散关系（图（６））的各向导性材料中，当
倏逝波进入向外传播时，其较大的横向波矢便会逐渐被压
缩，直至小到能在真空及周围介质中正常传播，即变传播波
（图（７））．
图（５）中的异质结构中角动量ｍ＝ｋｅｙ要守恒，因此在
厶２ 远离圆柱中心时ｙ减小，ｋ。亦要相应减小，色散关系 一 占ｐ １．２ ２ ＝ 总是成立，因而倏逝波的波矢会随着远离圆柱中 心而减小，最终变为传播波．图（５）的实验中用３６５ｎｍ波长 光波照射两宽为３５ｎｍ，相距ｌｌ５ｎｍ的线对．图（９）是其扫
描电子显微镜（ＳＥＭ）图像，图中则是有和没有“Ｈｙｐｅｒｌｅｎｓ”
所得到的比较结果，图（１０）是对应于图（９）中的场强分布．
３总结
超透镜由于能突破衍射极限，具有广泛的应用前景，且
近年来也取得了重大的突破和进展，但目前仍面临着许多
困难和挑战．迄今为止，所有的超透镜成像中，目标物体仍
必有在透镜的近场，才能保证透镜在接收到倏逝波时没有
衰减完．另一方面所有具有超分辨成像系统涉及到了金属
中的共振，避免不了其固有的损失，因而并不能实现真正意
义上的完美成像．由于超分辨成像十分精细敏感，并不十分
成熟的纳米制技术也势必限制了成像的分辨率．
（下转第２９页）
第６期 王传安，吴长勤，王亚军应用型本科以能力为本位构建计算机公共基础课程群 ２９
为创造应用型人才提供一个良好的环境．建设具有特色的
立体化教学资源和多功能的实践平台，进行优秀教学团队 建设仍将是今后计算机公共基础课程群建设和改革中亟待
解决的问题．
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