上海交通大学电子工程系Linda Shao等–石墨烯基超低剖面微波菲涅尔透镜

超薄菲涅耳透镜的发展使透镜技术发生了革命性的变化，为电磁系统的小型化提供了巨大的前景。尽管在微观技术方面取得了相当大的进展，但实现超低剖面微波透镜的可扩展制造策略仍有待开发。在这里，我们报道了一种利用石墨烯环制造超薄和基本平坦的菲涅耳透镜的新策略。结果表明，利用石墨烯独特的传输特性单层或多层石墨烯可以微结构化成菲涅耳透镜。我们设计了不同的菲涅耳透镜，并通过数值和实验研究了它们在微波状态下的性能。结果表明通过改变石墨烯的层数，可以在不改变聚焦点的情况下改变聚焦波的强度。我们的实验结果与数值模拟的结果之间的良好一致性证明了原子厚度(工作波长约为10⁻⁷)石墨烯基透镜的可行性，并显示了它们在超紧凑集成方面的潜力。

图1. 石墨烯基微波菲涅耳透镜。

图2. 在30 GHz下，三层石墨烯透镜的电场峰值(黑点)与环数n的关系。插图显示了相应的石墨烯透镜和模拟的电场密度图。

图3. 模拟了( a )单层、( b )双层、( c )三层、( d )四层、( e )五层和( f )六层石墨烯透镜在30 GHz电磁波照射下的电场分布。

图4 .三层石墨烯透镜传输的电场分布(a) 25-GHz，(b)30-GHz和(c) 35-GHz；(d)当x=y= 0时，由1 ~6层石墨烯构成的菲涅耳透镜传输的30 GHz平面波电场对z的依赖性；( e )三层石墨烯透镜传输的不同频率波对z的依赖性；( f )焦距和聚焦效率。

图5. (a)制作石墨烯透镜; (b) 实验装置。

图6. 测量30GHz波照射(a)一、(b)二、(c)三、(d)四、(e)五、和(f)六层石墨烯透镜后的电场分布。

图7. 测量(a) 28-GHz、(b) 30-GHz和(c) 32-GHz波照射的三层石墨烯透镜的电场分布。(d)当x=y= 0时，由1 ~6层石墨烯构成的菲涅耳透镜传输的30 GHz平面波电场对y的依赖性；( e )三层石墨烯透镜传输的不同频率波对z的依赖性；( f )三层石墨烯透镜的焦距和聚焦效率与工作频率的关系。

图8. 在z = 30 mm处，归一化幅度：( a )模拟三层石墨烯板，( b )模拟三层石墨烯透镜，( c )测量三层石墨烯透镜的电场。在x = 0和z = 30 mm条件下，比较归一化场强随y的变化:( d )模拟,( e )测量。在所有的情况下，透镜都是由一个30 GHz的平面波激发的。

相关研究成果由上海交通大学电子工程系Linda Shao等人于2024年发表在Carbon (https://doi.org/10.1016/j.carbon.2023.118599)上。原文：Graphene-based ultralow-profile microwave Fresnel lens