近日，浙江大学杭州国际科创中心武英杰/陈红胜教授团队联合深圳大学物理与光电工程学院龚佑宁/张豫鹏教授提出了一种无需纳米光刻的极化激元Luneburg透镜的实现方案。该工作以“A lithography-free approach to polaritonic Luneburg lenses”为题发表于《Nature Communications》。浙江大学博士研究生崔震洋、深圳大学助理教授龚佑宁为论文第一作者，张豫鹏教授、陈红胜教授、武英杰研究员为论文通讯作者，浙江大学王华萍教授、郑斌教授，电子科技大学马玮良研究员等作者为论文做出了重要贡献。
极化激元是光与物质耦合形成的准粒子，能在纳米尺度下实现对光场的极端束缚与灵活操控，因此在分子探测、超分辨成像、片上光电互联等领域具有重要的应用价值。例如，极化激元透镜已被证明能轻易突破衍射极限，实现波束折射和汇聚。其中，极化激元Luneburg透镜作为一种典型的梯度折射率器件，能够将沿水平方向传播的极化激元波束汇聚于透镜边缘。然而，现有的制备方法，如灰阶（灰度）电子束光刻，工艺复杂且成本高昂。因此发展一种高效率、低成本的制备方法成为极化激元梯度折射率器件领域的迫切需求。
图1 实现极化激元渐变折射率透镜的两种途径
本研究首先提出了设计极化激元渐变折射率透镜的两种思路：改变极化激元材料厚度和改变介电层厚度（图1）。虽然团队前期的研究证明了通过选区刻蚀改变承载材料自身的厚度来调控极化激元波束的可行性[ACS Nano, 18, 17065 (2024)]，但在约100nm厚的极化激元材料中构造渐变的厚度梯度仍具有较高的技术难度，且往往会引入额外的损耗。与之相比，改变介电层厚度避免了对极化激元承载材料的直接刻蚀，而且可以灵活地选择具有不同折射率的介电材料（图2），因而具有更高的设计自由度，但这种方法一般需要精密的灰阶电子束光刻等微纳加工手段，工艺条件较为苛刻。
图2 改变介电层调控极化激元的等效折射率
针对上述挑战，团队提出了基于聚合物微球原位受热变形进而构建具有渐变厚度的介电层的加工方法（图3）。原理上，该方法得到的聚合物球帽的几何形状与理论所需的介电层厚度梯度高度吻合；工艺上，该方法仅需控制热处理温度和时间便可灵活改变极化激元材料表面的聚合物球帽的高度和尺寸，无需复杂昂贵的灰阶刻蚀，极大地减小了器件的加工难度。
图3 hBN表面PMMA球帽的原位受热塑形方法
利用散射式扫描近场光学显微镜（s-SNOM），团队观测到了基于六方氮化硼（hBN）的Luneburg透镜中极化激元的近场分布图像，得到了与仿真预测基本一致的实验现象，从而证明了该方法的有效性（图4）。
图4 极化激元Luneburg透镜的s-SNOM测试结果及仿真对照
实验结果表明，该方法还具有较好的扩展性，除了常用的聚合物PMMA，还适用于PS等其他聚合物微球，为器件提供了更多的介电材料选择。此外，团队还理论预测了该方法在鱼眼透镜、Mikaelian透镜等其他极化激元渐变折射率透镜中的可行性（图5），丰富了极化激元片上器件的构型和功能。
图5 基于其他聚合物的极化激元Luneburg透镜和鱼眼透镜
本研究提出了一种极化激元渐变折射率透镜的无光刻加工方法。该方法避免了昂贵复杂的微纳加工，用相对简易低廉的工艺实现了具有渐变等效折射率的极化激元Luneburg透镜，简化了极化激元片上功能器件的加工难度，为未来基于极化激元的片上光电子系统提供了一种新的器件设计思路。
文章链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-025-63097-8
