CN108761585A - 一种基于介质超表面构造多焦点透镜的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于介质超表面构造多焦点透镜的方法。主要包括如下步骤：步骤(1).在波长为380nm～780nm的可见光工作带宽内，研究不同形状尺寸的介质超表面结构的光学特性，通过对结构单元的设计，找出多个可以响应不同波段的结构，从而实现对入射电磁波进行调制；步骤(2).选择需要出射的各个聚焦点的位置，根据透镜的等光程原理，确定超表面结构的相位分布；步骤(3).将不同形状尺寸的介质超表面结构放置于对应的位置，根据Pancharatnam‑Berry相位，只需调节超表面结构的旋转方向就能够满足步骤(2)中的相位分布要求。本发明通过介质超表面结构实现多焦点透镜的效果，且具有高效率的聚焦功能，并且具有尺寸极薄，原理简单容易实现等特点。

Description

一种基于介质超表面构造多焦点透镜的方法

(一)技术领域

本发明涉及的是一种基于介质超表面构造多焦点透镜的方法，属于微纳光学及光学芯片集成领域。

(二)背景技术

近年来，基于超表面设计的透镜引起了人们的广泛关注，相比于传统光学元件，其并非由光在介质中传输时通过光程的累积来改变传输光波前的相位分布，而是利用所设计亚波长单元结构对电磁波的异常响应特性，对不同结构参数单元以一定规则排列，从而实现对电磁波振幅和相位的灵活调制。

通过对超表面结构的精心设计，我们可以制作出多个焦点的微纳透镜，其克服了传统光学元器件体积庞大、质量较重、功能固定单一等缺点，且厚度达到微米量级。其具有的多焦点聚焦功能在集成光学系统中具有非常广泛的应用前景。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单紧凑、操作调节容易的基于介质超表面构造多焦点透镜的方法。

本发明的目的是这样实现的：

步骤(1).在波长为380nm～780nm的可见光工作带宽内，研究不同形状尺寸的介质超表面结构的光学特性，通过对结构单元的设计，找出多个可以响应不同波段的结构，从而实现对入射电磁波进行调制；

步骤(2).选择需要出射的各个聚焦点的位置，根据透镜的等光程原理，确定超表面结构的相位分布；

步骤(3).将不同形状尺寸的介质超表面结构放置于对应的位置，根据Pancharatnam-Berry相位，只需调节超表面结构的旋转方向就能够满足步骤(2)中的相位分布要求。

所述的步骤(3)中，对于圆偏振光入射，透射光包含两种圆偏振态：其中一种透射光与入射光的偏振态相反但具有额外的相位延迟，另一种透射光与入射光的偏振态相同但没有额外的相位延迟，额外的相位延迟由Pancharatnam-Berry相位±2θ提供，其中θ是超表面结构的方位角。步骤(1)中，响应不同波段是指：超表面结构可以分别在不同波段将入射光转换为与入射光偏振态相反的透射光。

所述的步骤(2)中，利用了透镜的等光程原理，对于任意焦点F(x₁,y₁,z₁),超表面相位应满足：

就是超表面应满足的相位，其中，x,y是超表面上的坐标点，λ是入射光波长。确定每一个不同位置的相位就确定了整个多焦点透镜上的相位分布。

(四)附图说明

图1为左旋圆(LCP)偏振光入射介质超表面阵列后，透射光包含的两种偏振态示意图，其中一种透射光与入射光的偏振态相反,即右旋圆(RCP)偏振光，另一种透射光与入射光的偏振态相同。

图2是多焦点透镜的结构示意图，其由3种不同形状的超表面组成，分别对应3个子透镜。

图3为左旋圆(LCP)偏振光入射设计的超表面阵列聚焦示意图，其可将透射光中的右旋圆偏振光聚焦。

图4为多焦点透镜仿真图，将不同波段的光聚焦于不同位置。

(五)具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的说明。

一种基于介质超表面构造多焦点透镜的方法，具体包括以下步骤：

步骤(1).以介质硅(a-Si)材料为例，在波长为380nm～780nm的可见光工作带宽内，研究不同形状尺寸的介质硅超表面结构的光学特性，通过对结构单元的设计，找出3种可以响应不同波段的结构。如附图1所示，左旋圆(LCP)偏振光通过SiO₂基底入射椭圆形介质硅(a-Si)超表面阵列后，透射光包含两种偏振态，其中一种透射光与入射光的偏振态相反,即右旋圆(RCP)偏振光，另一种透射光与入射光的偏振态相同。多焦点透镜就是将与入射光偏振态相反的透射光聚焦。图中θ是介质硅超表面的旋转角度，用以提供所需的相位。响应不同波段是指：超表面结构可以分别在不同波段将入射光转换为与入射光偏振态相反的透射光，且每一种超表面结构仅可将一个波段转换，相互影响可以忽略不计。

步骤(2).将步骤(1)中确定的三种结构以附图2中的方式排列，每种结构对应一个子透镜，3种结构组成一个多焦点透镜。关于多焦点透镜上的各个点的相位计算过程如下：

首先确定所设计多焦点透镜的每个焦点的位置，根据等光程原理计算各个焦点对应的子透镜的相位分布：

就是超表面应满足的相位，其中，x,y是超表面上的坐标点，λ是入射光波长。确定每一个不同位置的相位就确定了整个多焦点透镜上的相位分布。

按照上述方法确定各个子透镜的相位分布后，我们只需将三种对应的超表面结构放置于对应的位置，并且旋转响应角度即可满足多焦点透镜功能，这里利用了Pancharatnam-Berry相位。假设入射圆偏振光场的琼斯矢量表示为：

其中，E₀(r,θ)为光场振幅，σ＝±1，正负号代表左右旋圆偏振光。那么超表面的输出光场为：

我们注意到输出光场除了圆偏振手性发生了反转之外，还获得了一个附加相位:

φ_PB＝2σθ (5)

这一附加相位就是Pancharatnam-Berry相位。Pancharatnam-Berry相位的大小及分布完全由超表面的微结构局域光轴方向决定。Pancharatnam-Berry相位的符号取决于入射场的偏振手性，控制超表面的局域光轴的角度即能获得想要的相位。

图2是本发明多焦点透镜的结构示意图，由三个子透镜构成的超表面多焦点透镜，图中用三个不同大小的矩形结构表示不同的子透镜。注意：这里不同的矩形结构只是表示几种不同的子透镜，据此来说明透镜的构成，并不表示此处超表面的单元结构一定是矩形。

步骤(3).一束左旋圆(LCP)偏振光入射SiO₂基底，通过三个不同大小的矩形结构组成的介质超表面阵列后，每种结构响应的波段被分别聚焦在不同的焦点。如图3所示，图中以红(R)、绿(G)、蓝(B)为例，超表面多焦点透镜将三种不同波段的光分别聚焦在不同的焦点处。

图4给出该多焦点透镜的仿真结果。由于3种结构响应不同波段，我们只用其中一种波段入射超表面透镜时仅有一个焦点，如图4a、4b、4c所示。图4d是该透镜多焦点聚焦仿真图。

Claims (2)

1.一种基于介质超表面构造多焦点透镜的方法，其中，所述多焦点透镜至少包括基底及多个不同结构的超表面阵列，其特点在于包括以下步骤：

步骤(1).在波长为380nm～780nm的可见光工作带宽内，研究不同形状尺寸的介质超表面结构的光学特性，通过对结构单元的设计，找出多个可以响应不同波段的结构，从而实现对入射电磁波进行调制；

步骤(2).选择需要出射的各个聚焦点的位置，根据透镜的等光程原理，确定超表面结构的相位分布；

步骤(3).将不同形状尺寸的介质超表面结构放置于对应的位置，根据Pancharatnam-Berry相位，只需调节超表面结构的旋转方向就能够满足步骤(2)中的相位分布要求。

2.根据权利要求1所述的方法，所述的步骤(3)中，对于圆偏振光入射，透射光包含两种圆偏振态：其中一种透射光与入射光的偏振态相同但没有额外的相位延迟，另一种透射光与入射光的偏振态相反但具有额外的相位延迟，额外的相位延迟由Pancharatnam-Berry相位±2θ提供，其中θ是超表面结构的方位角。步骤(1)中，响应不同波段是指：超表面结构可以分别在不同波段将入射光转换为与入射光偏振态相反的透射光。

所述的步骤(2)中，利用了透镜的等光程原理，对于任意焦点F(x₁,y₁,z₁),超表面相位应满足：

就是超表面应满足的相位，其中，x,y是超表面上的坐标点，λ是入射光波长。确定每一个不同位置的相位就确定了整个多焦点透镜上的相位分布。