基于反光学零介质的高性能空间压缩器实现光学系统微型化突破

（编辑推荐）本文创新性地利用变换光学设计出基于反光学零介质（anti-optical null medium）的空间压缩器（spaceplate），通过高度各向异性材料实现自由空间传输函数的等效压缩。该设计突破传统共振结构在数值孔径（NA）、透射率和压缩比（R）间的权衡，实验验证的微波波段多层结构同时实现压缩比6、NA 0.72、透射率>90%，为生物显微成像和柔性光电器件微型化提供新范式。

　　

亮点

本研究通过变换光学设计的反光学零介质空间压缩器，成功突破了传统设计中数值孔径（NA）与压缩比（R）的固有矛盾，为光学系统微型化提供了革命性解决方案。

理想空间压缩器的严格电磁参数推导

从功能角度看，空间压缩器（spaceplate）是一种能复现等效空气间隙传输函数的光学薄板，其物理厚度d_SP远小于等效空气厚度d_eff。基于变换光学理论，该器件实质是高度各向异性的反光学零介质——其主轴方向介电常数和磁导率趋近零，垂直方向趋近无限大。这种特性使电磁波在介质内产生超强相位延迟，促进衍射效应以实现空间压缩。

简化设计：多层结构方案

为实现理想参数，我们提出由Zn-Ni-Fe/金属线交替组成的亚波长多层结构。通过有效介质理论，该结构在TM偏振波下可近似实现式(4)中的各向异性参数。仿真显示，当单元周期数N=20时，该结构在10GHz处实现压缩比6，且边界反射率<1%。

带宽分析

由于材料B组分具有近零介电特性（ε(ω)=1-ω_p²/(ω²+iγω)），我们采用Drude模型分析频率特性。图4(a)显示该空间压缩器在9.5-10.5GHz带宽内保持性能稳定，阻尼系数γ显著影响低频段的透射率衰减。

讨论

本研究采用金属透镜（metalens）与空间压缩器分离设计策略：前者作为局域相位调制器，后者通过非局域传输函数实现空间-角度双重调控。这种设计既兼容现有金属透镜平台，又能实现普适性空间压缩功能。

结论

最终实现阻抗完美匹配空气、透射率近100%的理想空间压缩器。多层结构实验验证了压缩比R=6、NA=0.72、透射率>0.9的优异性能，为光学显微镜和可穿戴光电设备开辟了新路径。