CN106019441B - 一种多值相位‑二值振幅的超衍射空心光环聚焦器件 - Google Patents

Abstract

一种多值相位‑二值振幅的超衍射空心光环聚焦器件，包括基底、介质圆环结构单元、金属圆环结构单元，其采用多值相位调控的介质圆环结构和二值振幅调控的金属圆环结构，介质圆环结构厚度决定出射光的相位，金属圆环结构厚度决定出射光的振幅，通过改变介质圆环和金属圆环的厚度实现多值相位调控和二值振幅调控；利用介质圆环和金属圆环结构单元形成空间平面同心圆环阵列，实现远场超衍射角向偏振空心光环聚焦所需的聚焦器件透射函数振幅相位空间分布，从而实现突破衍射极限的远场超衍射角向偏振空心光环聚焦功能，并提高远场超衍射角向偏振空心光环聚焦性能，减小远场超衍射聚焦焦斑、提高聚焦效率、抑制旁瓣、增大视场范围。

Description

一种多值相位-二值振幅的超衍射空心光环聚焦器件

技术领域

本发明属于光聚焦、光成像领域，特别是涉及多值相位-二值振幅调控远场超衍射聚焦器件。

背景技术

对于常规的微透镜而言，虽然采用了各种相位结构，但仍未能突破衍射极限。对于远场超衍射聚焦器件，通常采用二值振幅调控或准连续振幅调控，往往不能实现较好的聚焦性能，其聚焦效率低、旁瓣强度过大严重限制了超衍射器件的发展。远场超衍射聚焦是光波发生精确干涉的结果，因此在超衍射器件设计和实现中，在器件透射率函数中引入相位调控是非常必要的。基于多值相位-二值振幅调控的亚波长结构可显著改善聚焦器件的聚焦性能，如：减小远场超衍射聚焦焦斑、提高效率、抑制旁瓣、增大视场范围等。

(1)对于振幅调控，目前主要是通过狭缝或者小孔实现简单的透光和不透光两种模式的控制，开口(孔或狭缝)的地方透光，不开口(孔或狭缝)的地方不透光，也就是二值(0或1)振幅调控；相关文献有：

●T.Liu,J.Tan,J.Liu,and H.Wang,“Vectorial design of super-oscillatorylens,”Opt.Express,Vol.21,pp.15090-15101(2013).

●E.T.F.Rogers,J.Lindberg,T.Roy,S.Savo,J.E.Chad,M.R.Dennis,andN.I.Zheludev,“A super-oscillatory lens optical microscope for subwavelengthimaging,”Nat.Mater.Vol.11,pp.432-435(2012).

●V.V.Kotlyar,S.S.Stafeev,Y.Liu,L.O’Faolain,and A.A.Kovalev,“Analysisofthe shape of a subwavelength focal spot for the linearly polarized light,”Appl.Opt.Vol.52,pp.330-339(2013).

(2)根据现有的二值(0或1)振幅调控超衍射聚焦器件的聚焦性能来看，分两种情况：一是焦斑附近旁瓣很大(如文献：E.T.F.Rogers,J.Lindberg,T.Roy,S.Savo,J.E.Chad,M.R.Dennis,and N.I.Zheludev,“A super-oscillatory lens optical microscope forsubwavelength imaging,”Nat.Mater.Vol.11,pp.432-435(2012).)，二是通过将大的旁瓣外推，在主瓣半宽为0.48λ的情况下，有效视场为(-90λ,+90λ)(如文献：Edward T F Rogersand Nikolay I Zheludev，“Optical super-oscillations:sub-wavelength lightfocusing and super-resolution imaging”J.Opt.15,pp.094008(2013))。

(3)对于准连续振幅调控，目前可以通过改变亚波长金属狭缝的宽度实现振幅0-1范围内的准连续变化；相关文献如：Gang Chen*,Yuyan Li,Xianyou Wang,Zhongquan Wen,Feng Lin,Luru Dai,LiChen,Yinghu He,Sheng Liu,Super-oscillation Far-FieldFocusing Lens based on Ultra-thin Width-varied Metallic Slit Array,IEEEPhotonics Technology Letters,28(3),pp335-338,2016。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种多值相位-二值振幅的超衍射空心光环聚焦器件，其是基于介质-金属同心圆环结构阵列的远场超衍射角向偏振空心光环聚焦器件，采用多值相位调控的介质圆环结构和二值振幅调控的金属圆环结构，通过改变介质圆环和金属圆环的厚度实现多值相位调控和二值振幅调控；利用介质圆环和金属圆环结构单元形成空间平面同心圆环阵列，实现远场超衍射角向偏振空心光环聚焦所需的聚焦器件透射函数振幅相位空间分布，从而实现突破衍射极限的远场超衍射角向偏振空心光环聚焦。

本发明通过以下技术方案来加以实现：

一种多值相位-二值振幅的超衍射空心光环聚焦器件，包括基底、介质圆环结构单元和金属圆环结构单元。

所述基底是一块具有一定厚度的介质材料，上下表面平行，对入射光波长λ透明，具有较高的透射率。

所述介质圆环结构单元是位于基底上的中心半径为r_i(i表示从中心向外第i个同心环)、宽度为w、厚度为t的介质圆环，对入射光波长λ透明。介质圆环结构单元在基底上同心分布N个，对于给定的入射光波长λ，通过改变各个介质圆环厚度t来控制出射光相位此处，每个介质圆环的厚度t为m+1种可能值中之一，对应的m+1种可能值分别为0,h₁,h₂,…,h_m-1和h_m(0<h₁<h₂,<…<h_m-1<h_m)，与之相对应的出射光相位分别为0,θ₁,θ₂,…,θ_m-1,θ_m(0<θ₁<θ₂,<…<θ_m-1<θ_m)。其中，根据出射光相位的需要，介质圆环的厚度t也可以为0，即在此基底位置不设置介质圆环结构单元。

所述金属圆环结构单元是位于介质圆环结构上方紧贴介质圆环结构的、中心半径为r_i(i表示从中心向外第i个同心环)、宽度为w、厚度为δ的金属膜。对于给定的入射光波长λ，该圆环金属膜不透光，其对入射光的振幅透射率为a(δ)，通过不设圆环金属膜(即厚度为0)和设置厚度为Δ的圆环金属膜，分别实现入射光透射率为1和0两种情形。

两个紧贴的介质圆环结构单元和金属圆环结构单元构成一个介质-金属圆环单元结构，N个同心的所述介质-金属圆环单元结构构成介质-金属同心圆环形结构阵列，其中N为整数，第i个介质-金属圆环单元结构的中心半径为r_i，介质圆环的厚度为t_i，金属膜的厚度为δ_i。所述阵列中包含有金属圆环结构单元厚度为0，和介质圆环结构单元与金属圆环结构单元厚度均为0的情况。对于给定的聚焦器件相位空间分布ψ(r_i)，0≤ψ(r_i)≤θ_m，通过介质圆环结构相位与介质厚度t的关系，确定第i个介质圆环结构的厚度t_i；对于给定的聚焦器件振幅空间分布A(r_i)，A(r_i)为0或1，通过入射光透射率a(δ)与金属圆环结构厚度δ的关系，确定第i个金属圆环结构的厚度δ_i，由此采用相应的介质-金属同心圆环结构阵列，实现远场超衍射角向偏振空心光环聚焦所需的相位空间分布ψ(r_i)和振幅空间分布A(r_i)，从而实现远场超衍射角向偏振空心光环聚焦功能。

所述聚焦器件的入射光为波长为λ的角向偏振光，光束从基底一端垂直入射，入射光束截面与聚焦器件同心、同轴，聚焦焦斑为一空心光环，空心光环强度内径半高宽小于光学衍射极限0.5λ/NA，其中NA为聚焦器件的数值孔径，NA＝n₀×sin(atan(f/R))，其中n₀为出射方介质折射率，f为聚焦器件焦距，R为聚焦器件半径，sin()和atan()分别为正弦函数和反正切函数。

要实现以上的多值相位-二值振幅远场超衍射角向偏振空心光环聚焦器件，需要确定介质圆环厚度t、金属圆环结构材料M、金属圆环结构厚度δ，具体方法如下：

(1)对于给定的入射波长λ，根据金属材料的磁导率μ和电导率σ，计算其在金属材料中的穿透深度δ_p＝(2/ωμσ)^1/2{[1+(ωε/σ)²]^1/2+ωε/σ]}^1/2，λ/cμ(其中ω＝2πc/λ，σ为金属电导率、ε为金属介电常数、μ为金属磁导率、c为真空中的光速)，并选择具有较小穿透深度的金属作为金属膜材料M，金属膜厚度最小值应满足Δ>δ_p，当A(r_i)＝1时，金属膜厚度δ_i＝0，即不设置金属膜；当A(r_i)＝0时，金属膜厚度δ_i＝Δ；

(2)对于选定的介质材料D，为实现聚焦器件相位空间分布ψ(r_i)，当A(r_i)等于1时，介质圆环的厚度由公式t_i＝ψ(r_i)λ/[2π(n_D-1)]确定，其中λ为入射光波长，n_D为介质材料D的折射率；

(3)对于选定的介质材料D，当A(r_i)等于0时，介质圆环的厚度为t_i＝h_m；

(4)根据远场超衍射角向偏振空心光环聚焦器件所要求的相位空间分布ψ(r_i)和振幅空间分布A(r_i)，确定中心半径r_i处的介质圆环厚度t_i和金属圆环厚度δ_i，由此在基底上形成对应的介质-金属圆环形结构阵列，实现远场超衍射角向偏振空心光环聚焦器件。

在介质-金属圆环形结构阵列中，相邻介质-金属圆环形单元结构的厚度可以不相同。也可以其中若干个相邻的介质-金属圆环形单元结构具有完全相同的厚度，形成一个较宽的介质-金属圆环形结构。

以下详细分析采用本发明所述的实现多值相位-二值振幅调控远场超衍射角向偏振空心光环聚焦器件的优势：

图1给出了二值振幅调控远场超衍射角向偏振空心光环聚焦器件、二值相位调控远场超衍射角向偏振空心光环聚焦器件与三值相位-二值振幅调控远场超衍射角向偏振空心光环聚焦器件聚焦光场能量分布比较；聚焦器件焦距(100λ)和数值孔径(0.97)均相同；从图中可以看出，对于相同入射光场，各聚焦器件的聚焦空心光环半高宽(FWHM)均为0.34λ(小于衍射极限0.51λ)，二值振幅聚焦器件焦斑峰值为791，二值相位聚焦器件焦斑峰值为3011，三值相位-二值振幅聚焦器件焦斑峰值为3988。

表1.二值振幅聚焦器件、二值相位聚焦器件和三值相位-二值振幅聚焦器件性能比较

表1中给出了二值振幅聚焦器件、二值相位聚焦器件和三值相位-二值振幅聚焦器件聚焦性能参数比较。从表中参数对比可知，相对于二值振幅聚焦器件，二值相位聚焦器件和三值相位-二值振幅聚焦器件聚焦性能得到了显著改善：提高聚焦能量、增大了聚光效率。

可见，本发明提供的基于介质-金属同心圆环结构阵列的远场超衍射角向偏振空心光环聚焦器件，采用多值相位调控的介质圆环结构和二值振幅调控的金属圆环结构，介质圆环结构厚度决定出射光的相位，金属圆环结构厚度决定出射光的振幅，通过改变介质圆环和金属圆环的厚度实现多值相位调控和二值振幅调控。其利用介质圆环和金属圆环结构单元形成空间平面同心圆环阵列，实现了远场超衍射角向偏振空心光环聚焦所需的聚焦器件透射函数振幅相位空间分布，从而实现突破衍射极限的远场超衍射角向偏振空心光环聚焦，并提高了远场超衍射角向偏振空心光环聚焦性能，具有减小远场超衍射角向偏振空心光环半高宽、提高聚焦效率、抑制旁瓣、增大视场范围等优点。

附图说明

图1是二值振幅聚焦器件(点线)、二值相位聚焦器件(虚线)和三值相位-二值振幅聚焦器件(实线)在焦平面上的光场强度分布比较；对于同样的入射光强度分布，三值相位-二值振幅聚焦器件的焦斑峰值更高，二值相位聚焦器件焦斑峰值次之，二值振幅聚焦器件的焦斑峰值最低；

图2是基于介质-金属同心圆环结构阵列的远场超衍射角向偏振空心光环聚焦器件结构示意图；

图3是基于介质-金属同心圆环结构阵列的远场超衍射角向偏振空心光环聚焦器件聚焦示意图；

图4是基于介质-金属同心圆环结构阵列的远场超衍射角向偏振空心光环聚焦器件的振幅透射率空间分布；

图5是基于介质-金属同心圆环结构阵列的远场超衍射角向偏振空心光环聚焦器件的相位空间分布；

图6是基于介质-金属同心圆环结构阵列的远场超衍射角向偏振空心光环聚焦器件件的介质圆环的厚度t_i和金属圆环的厚度δ_i与圆环结构中心半径r_i的关系；

图7是基于介质-金属同心圆环结构阵列的远场超衍射角向偏振空心光环聚焦器件焦平面光强度沿半径方向上分布的有限元法数值仿真结果。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案作进一步描述。

如图2所示，基于介质-金属同心圆环结构阵列的远场超衍射角向偏振空心光环聚焦器件包括基底1、介质圆环结构单元2、金属圆结构单元3。

基底1是厚度为h的介质材料，对入射光波长λ透明，上下表面平行。

介质圆环形结构单元2是位于基底1上的中心半径为r_i(i表示从中心向外第i个同心环)、宽度为w、厚度为t的介质圆环，对入射光波长λ透明。介质圆环结构单元2在基底1上同心分布N个，对于给定的入射光波长λ，通过改变介质圆环结构厚度t来控制出射光相位此处，每个介质圆环结构的厚度t为m+1个可能取值之一，m+1个可能的取值分别为0，h₁,h₂,…,h_m-1和h_m,(0<h₁<h₂,<…<h_m-1<h_m)，与之相对应的出射相位分别,0，θ₁,θ₂,…,θ_m-1,θ_m(0<θ₁<θ₂,<…<θ_m-1<θ_m)。

金属圆环结构单元3是位于介质圆环结构单元2上方并紧贴介质圆环结构的、中心半径为r_i(i表示从中心向外第i个同心环)、宽度为w、厚度为δ的金属膜。对于给定的入射光波长λ，该金属膜不透光，其对入射光的振幅透射率为a(δ)，通过厚度为0(即不设置金属膜)和Δ的圆环形金属膜，分别实现入射光透射率为1和0两种情形。

两个紧贴的介质圆环结构单元和金属圆环结构单元构成一个介质-金属圆环单元结构，N个同心的所述介质-金属圆环单元结构构成介质-金属同心圆环结构阵列，其中N为整数，第i个介质圆环的中心半径为r_i，厚度为t_i。第i个介质圆环结构的中心半径为r_i，金属圆环结构的厚度为δ_i。对于给定的聚焦器件相位空间分布ψ(r_i)，通过介质圆环结构相位与介质厚度t的关系，确定第i个介质圆环的厚度t_i；对于给定的振幅空间分布A(r_i)，通过入射光透射率a(δ)与金属圆环厚度δ的关系，确定第i个金属圆环的厚度δ_i，由此采用相应的同心圆环结构阵列，实现远场超衍射角向偏振空心光环聚焦器件所需的相位空间分布ψ(r_i)和振幅空间分布A(r_i)，从而实现聚焦器件的远场超衍射角向偏振空心光环聚焦功能。

获得聚焦器件需要具体确定材料和结构参数：

(1)基底材料的选择

根据给定的工作波长λ，选用透射率高的透明介质材料作为基底。例如：对于632.8nm工作波长，基底材料可采用蓝宝石玻璃。

(2)介质圆环结构材料的选择

根据给定的工作波长λ，选用透射率高、折射率较高的透明介质材料作为介质材料，以减小介质圆环结构厚度。例如：对于632.8nm工作波长，介质材料可采用Si₃N₄。

(3)金属圆环结构材料的选择

金属圆环结构的主要功能是遮挡金属圆环结构所在位置处的入射光，使其透射率为0，所以根据给定的工作波长λ，所选用的金属材料折射率虚部应该尽可能大，以减小金属圆环结构厚度。例如：对于632.8nm工作波长，金属材料可采用铝。

(4)金属圆环结构厚度的确定

对于给定的入射波长λ，根据金属材料的磁导率μ和电导率σ，计算其在金属材料中的穿透深度δ_p＝(2/ωμσ)^1/2{[1+(ωε/σ)²]^1/2+ωε/σ]}^1/2，λ/cμ(其中ω＝2πc/λ，σ为金属电导率、ε为金属介电常数、μ为金属磁导率、c为真空中的光速)，并选择具有较小穿透深度的金属作为金属膜材料M，金属膜厚度最小值应满足Δ>δ_p，当A(r_i)＝1时，金属膜厚度δ_i＝0，即不设置金属膜；当A(r_i)＝0时，金属膜厚度δ_i＝Δ，

(5)介质圆环结构厚度的确定

对于给定的工作波长λ和介质材料D，为实现聚焦器件相位空间分布ψ(r_i)，当A(r_i)等于1时，介质圆环的厚度由公式t_i＝ψ(r_i)λ/[2π(n_D-1)]确定，其中λ为入射光波长，n_D为介质材料D的折射率；当A(r_i)等于0时，介质圆环的厚度为t_i＝h_m；当t_i＝0时，既不设置介质圆环。

下面进一步说明基于介质-金属同心圆环结构阵列的远场超衍射角向偏振空心光环聚焦器件的设计：

首先，设置聚焦器件结构参数和聚焦光场目标参数(如器件的半径、焦距、圆环单元宽度w、空心光环半高宽、旁瓣与主斑强度比值、视场范围、聚焦效率等)，采用矢量衍射计算方法，计算入射光场经过聚焦器件后在设定焦平面上光场分布，根据振幅可能取值0和1、相位可能取值0,θ₁,θ₂,…,θ_m-1和θ_m，并结合遗传算法来优化聚焦器件的振幅分布A(r_i)和相位分布ψ(r_i)，使聚焦光场分布逼近目标参数。该计算方法参见E.T.F.Rogers,J.Lindberg,T.Roy,S.Savo,J.E.Chad,M.R.Dennis,and N.I.Zheludev,“A super-oscillatory lensoptical microscope for subwavelength imaging,”Nat.Mater.Vol.11,pp.432-435(2012)。

然后，对于给定波长为λ入射光场，利用振幅透射率a(δ)与金属圆环结构厚度δ的关系，以及相位与介质厚度t的关系，根据优化得到的振幅分布A(r_i)和相位分布ψ(r_i)，分别确定r_i处金属膜厚度δ_i和介质圆环厚度t_i。对于金属膜厚度，当A(r_i)＝1时，金属膜厚度δ_i＝0，即不设置金属膜；当A(r_i)＝0时，金属膜厚度δ_i＝Δ。对于介质圆环厚度，当A(r_i)＝0时，介质圆环的厚度为t_i＝h_m；当A(r_i)等于1时，介质圆环的厚度由公式t_i＝ψ(r_i)λ/[2π(n_D-1)]确定，其中λ为入射光波长，n_D为介质材料D的折射率。

如图3所示，给出了基于介质-金属同心圆环结构阵列的远场超衍射角向偏振空心光环聚焦器件聚焦示意图，垂直入射的角向偏振光，角向偏振光束截面中心与聚焦器件中心重合，光束经过聚焦器件后聚焦在距聚焦器件后f处的焦平面上，形成超衍射角向偏振空心光环，f即为所述聚焦器件焦距。

如图4所示，以632.8nm波长为例，给出了一个基于介质-金属同心圆环结构阵列的三值相位-二值振幅调控远场超衍射角向偏振空心光环聚焦器件的振幅透射率空间分布A(r_i)，其中r_i为第i个金属圆环形结构的中心半径。可见其空间振幅透射率共有两个值0和1，即二值振幅。

如图5所示，以632.8nm波长为例，给出了图4对应的远场超衍射角向偏振空心光环聚焦器件的相位空间分布ψ(r_i)，其中r_i为第i个介质圆环结构的中心半径。可见其相位共有三个值0，π/2和π，即三值相位。

如图6所示，根据三值相位-二值振幅远场超衍射角向偏振空心光环聚焦器件振幅透射率的空间分布A(r_i)、相位空间分布ψ(r_i)，结合入射光透射率a(δ)与金属膜厚度δ的关系和介质圆环结构相位与介质厚度t的关系，可以得出的中心半径为r_i的第i个介质圆环的厚度t_i和第i个金属膜的厚度δ_i。由此在平面内形成基于三值相位-二值振幅调控的远场超衍射角向偏振空心光环聚焦器件。

图7给出了图6对应的基于三值相位-二值振幅调控的远场超衍射角向偏振空心光环聚焦器件焦平面上沿半径R方向的光强分布，其强度分布呈现为空心光环，空心光环内径半高全宽(FWHM)为0.34λ，小于衍射极限0.51λ(0.5λ/NA)和超振荡判据0.391λ(0.38λ/NA)。因此其不但突破了衍射极限，而且实现了远场超振荡空心光环聚焦。

本发明提供的介质-金属同心圆环结构阵列，可在一定范围内实现对电磁波振幅的任意调控，该多值相位-二值振幅调控方法还可以拓展到电磁波的其他波段，不仅限于光学波段。因此，本发明可以广泛的应用在电磁波功能器件的设计和实现上。

本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本申请发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种多值相位-二值振幅的超衍射空心光环聚焦器件，其特征在于包括基底(1)、介质圆环结构单元(2)、金属圆环结构单元(3)；

所述基底(1)是厚度为h的介质材料，对入射光波长λ透明，上下表面平行；

所述介质圆环结构单元(2)是位于基底上的中心半径为r_i、宽度为w、厚度为t的圆环形介质结构，对入射光波长λ透明，其中i表示从中心向外第i个同心环；介质圆环结构单元(2)在基底上同心分布N个，对于给定的入射光波长λ，通过不同的介质圆环厚度t来获得不同的出射光相位

所述金属圆环结构单元(3)是位于介质圆环结构单元上方并紧贴介质圆环、中心半径为r_i、宽度为w、厚度为δ的金属膜；对于给定的入射光波长λ，金属膜不透光，其对入射光的振幅透射率为a(δ)，通过在不同的介质圆环结构单元上设置厚度为Δ的金属膜和不设置金属膜，分别实现入射光透射率为0和1两种情形；

两个紧贴的介质圆环结构单元(2)和金属圆环结构单元(3)构成一个介质-金属圆环单元结构，N个同心的介质-金属圆环单元结构构成同心圆环结构阵列，其中N为整数，第i个介质-金属圆环单元结构的中心半径为r_i，介质圆环的厚度为t_i，金属圆环的厚度为δ_i；所述阵列中包含有金属圆环结构单元(3)厚度为0，和介质圆环结构单元(2)与金属圆环结构单元(3)厚度均为0的情况；对于给定的聚焦器件相位空间分布ψ(r_i)，通过介质圆环结构相位与介质厚度t的关系，确定第i个介质圆环形结构的厚度t_i；对于给定的振幅空间分布A(r_i)，通过入射光透射率a(δ)与金属圆环结构厚度δ的关系，确定第i个金属圆环结构的厚度δ_i，由此采用相应的介质-金属同心圆环结构阵列，实现远场超衍射角向偏振空心光环聚焦器件所需的相位空间分布ψ(r_i)和振幅空间分布A(r_i)，从而实现器件的远场超衍射角向偏振空心光环聚焦功能；

所述聚焦器件的聚焦焦斑为一角向偏振空心光环，空心光环强度内径半高宽小于光学衍射极限0.5λ/NA，其中NA为聚焦器件的数值孔径，NA＝n₀×sin(atan(f/R))，其中n₀为出射方介质折射率，f为聚焦器件焦距，R为聚焦器件半径，sin()和atan()分别为正弦函数和反正切函数。

2.根据权利要求1所述的多值相位-二值振幅的超衍射空心光环聚焦器件，其特征在于：有一个介质圆环的厚度t为0，即在基底此位置不设置介质圆环结构单元(2)。

3.根据权利要求1所述的多值相位-二值振幅的超衍射空心光环聚焦器件，其特征在于：确定介质圆环厚度t、金属膜材料M、金属圆环结构厚度δ的方法：

(1)对于给定的入射波长λ，根据金属材料的磁导率μ和电导率σ，计算其在金属材料中的穿透深度δ_p＝(2/ωμσ)^1/2{[1+(ωε/σ)²]^1/2+ωε/σ]}^1/2，λ/cμ，其中ω＝2πc/λ，σ为金属电导率、ε为金属介电常数、μ为金属磁导率、c为真空中的光速，并选择具有较小穿透深度的金属作为金属膜材料M，金属膜厚度最小值应满足Δ>δ_p，当A(r_i)＝1时，金属膜厚度δ_i＝0，即不设置金属膜；当A(r_i)＝0时，金属膜厚度δ_i＝Δ；

(2)对于选定的介质材料D，为实现聚焦器件相位空间分布ψ(r_i)，当A(r_i)等于1时，介质圆环结构厚度由公式t_i＝ψ(r_i)λ/[2π(n_D-1)]确定，其中n_D为介质材料D的折射率；

(3)对于选定的介质材料D，当A(x_i)等于0时，介质圆环结构厚度为t_i＝h_m，其中h_m为聚焦器件相位空间分布ψ(r_i)最大值对应的厚度介质圆环厚度，即h_m＝max{ψ(x_i)}λ/[2π(n_D-1)]，其中max{}表示取最大值；

(4)根据远场超衍射角向偏振空心光环聚焦器件所要求的相位空间分布ψ(r_i)和振幅空间分布A(r_i)，确定空间半径r_i处的介质圆环结构厚度t_i和金属圆环结构厚度δ_i，由此在基底上形成对应的介质-金属同心圆环结构阵列，实现远场超衍射角向偏振空心光环聚焦器件。

4.根据权利要求3所述的多值相位-二值振幅的超衍射空心光环聚焦器件，其特征在于：所述聚焦器件是一种平面器件，聚焦器件的半径为R＝Nw，通过减小介质圆环和金属圆环宽度w，提高相位和振幅调控的空间分辨率，增强器件聚焦性能。

5.根据权利要求3所述的多值相位-二值振幅的超衍射空心光环聚焦器件，其特征在于：在同心圆环结构阵列中，相邻介质-金属圆环单元结构厚度不相同，或者其中若干个相邻的介质-金属圆环单元结构具有完全相同的厚度，从而形成一个较宽的介质-金属圆环结构。

6.根据权利要求3所述的一种多值相位-二值振幅的超衍射空心光环聚焦器件，其特征在于：所述入射光为波长为λ的角向偏振光，光束从基底一端垂直入射，入射光束截面与聚焦器件同心、同轴。