CN109901251A - 一种基于多层石墨烯的双焦点与长焦深超透镜 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种基于多层石墨烯的双焦点与长焦深超透镜。其特征是：它由柱状偶极子阵列1、SiO₂介质层2、多层石墨烯基底3组成。所述的超透镜可以对不同波段的入射光实现透射和反射传输，分别形成双焦点和长焦深。所述的多层石墨烯在红外波段下的表面电导率受费米能级影响较高，可通过调节费米能级提供附加相位从而改变聚焦位置形成长焦深，而在可见光波段则具有较高的透射率形成双焦点，从而得到具有透射和反射双功能的超透镜。本发明通过调节柱状偶极子旋转角度和多层石墨烯对不同波长的特殊响应实现双功能超透镜，具有高效率的聚焦功能和超宽带、动态可调、易于集成等优点。

Description

一种基于多层石墨烯的双焦点与长焦深超透镜

(一)技术领域

本发明涉及的是一种基于多层石墨烯的双焦点与长焦深超透镜，可用于纳米成像、显微镜、医学应用等方面，属于几何光学和微纳光学领域。

(二)背景技术

超表面作为一种排列在二维表面上的亚波长结构，由于能局部地改变入射光束的振幅、偏振和相位的特殊功能，得到快速发展。由此基于超表面设计的透镜也引起了人们的广泛关注，与传统透镜不同，此超表面光学透镜基于光学纳米材料，因此相对较轻。当超表面的亚波长纳米结构形成特定的重复模式时，它们能模拟折射光线的复杂曲率，但没有那么笨重，并且在减少畸变的情况下聚焦光线的能力得以改善。不过，大多数这样的纳米结构设备是静态的，因此限制了它们的功能性。在对透镜研究的基础之上，本发明利用多层石墨烯基底提出了一种在透镜原理之上的在不同入射波长下可实现反射和透射的双功能超透镜，并且通过调节多层石墨烯的费米能级可实现对聚焦位置的调节，从而实现长焦深。

由于超表面体积较小易于集成的特点，利用其设计超透镜受到越来越多的关注。反射式的长焦深超透镜(Mehdi V,Caner G,Ozdal B,et al.Journal of the OpticalSociety of America B,2017,34(2):374.)虽然可实现长焦深但不具有可调性。而透射型光剑超透镜(Zhang Z,Wen D,Zhang C,et al.ACS Photonics,2018:acsphotonics.7b01536.)的研究虽然焦深得到提高但是只能在一种模式下形成长焦深。因此开发一种同时具备结构简单、可集成，并且能在不同模式下实现对焦深和焦点的动态可调的超透镜以弥补现有技术的不足，具有十分重要的意义。通过对超表面结构的设计计算，在此我们利用时兴的超表面技术设计出基于多层石墨烯的双焦点和长焦深的双功能超透镜，其克服了传统光学元器件的缺点，具有超薄超轻、二维平面、结构简单、功能广泛并且在聚焦时可以控制所有入射能量的优点，更好地提高了空间分辨率且厚度达到微米量级。其具有的长焦深和双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。并且此微纳超透镜克服了结构设计完成则焦点固定的弊端，通过调节石墨烯基底的费米能级能够动态的调节聚焦位置形成长焦深大大提高了反射聚焦透镜的实用性，同时在可见光波段内可形成透射型双焦点聚焦透镜，其对于不同波段不同的光学响应特性可使其应用在更多的光学器件和实际设计中。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单紧凑、易于集成、实用性强的基于多层石墨烯的双焦点与长焦深超透镜。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于多层石墨烯的双焦点与长焦深超透镜。其特征是：它由柱状偶极子阵列1、SiO₂介质层2、多层石墨烯基底3组成。所述的超透镜可以对不同波段的入射光下实现透射和反射传输，分别形成双焦点和长焦深。所述的多层石墨烯在红外波段下可通过调节费米能级改变聚焦位置形成长焦深，而在可见光波段则形成双焦点，从而得到具有透射和反射双功能的超透镜。

通过合理的设计单元结构的参数，超表面上的每一个柱状结构都相当于一个二分之一波片，它能够将入射圆偏振光转化为它的正交偏振态光。左旋圆偏振入射电磁波在与各向异性超表面结构相互作用后，它的正交偏振态电磁波包含了没有相移的原始自旋相位和具有诱导相移的转换相位部分(称为Pancharatnam-Berry相位)，这种额外的相位为±2θ，其中θ是超表面偶极子单元结构的旋转角。

经过超透镜的光束要实现聚焦功能，则根据透镜的等光程原理，对于任意焦点F(x₁,y₁,z₁),超表面相位应满足：

φ(x,y,λ)为超表面坐标点(x，y)处的相位，λ是入射光工作波长。其中，“±”表示入射光的旋向。由(1)式可知，所要求的旋转角的正负依赖于入射光的旋向。确定超表面上每一个不同位置的相位φ(x,y,λ)，就确定了每个柱状偶极子需要提供的相位，根据Pancharatnam-Berry相位与偶极子旋转角度的关系对偶极子进行独立的旋转调节。

本发明中使得平面光束在通过超表面后能够聚焦非常重要的一点就是反射和透射相位能够包含0-2π的平稳改变。而相位分布是由柱状偶极子单元的旋转角度控制的，所以实现聚焦的关键就是通过调节柱状偶极子单元结构在不同位置的旋转角度提供确定的相位。

由于多层石墨烯对不同波段的光波具有不同的光学响应，因此可以通过改变入射波长得到不同的聚焦结果。在此所选取的光波在红外波长和可见光波长范围，根据石墨烯的光学特性，在红外波段内多层石墨烯的表面电导率受费米能级的影响比较大，费米能级增加时，表面电导率大幅增加，这为电磁波的反射提供较大的反射率，从而可以形成反射型透镜，而在可见光波段内多层石墨烯则具有较高的透射率，从而形成了透射型透镜。

有益效果在于：本发明充分利用了所设计的超表面结构对不同波段的特殊响应和基底多层石墨烯在不同波段下的光学响应特性，使得超表面在红外波段下可以作为反射板在高透射率高转化率的情况下，在光线到达基底时将光线以高反射率反射出去，通过调节石墨烯的费米能级可动态的调节焦点的聚焦位置，从而形成了高反射率的、宽频带的、长焦深反射型透镜，同时在可见光波段超表面可以实现光波的透射传输，从而在不同的波长下对应的单元结构可以产生双焦点。此介质超表面克服了以往反射型聚焦透镜使用金属材料作基底所产生的能量损耗问题，大大提高了光波的转化效率和聚焦效率。长焦深和多焦点的研究在纳米成像、显微镜和医学眼科等方面具有潜在应用，具有非常重要的研究意义。

(四)附图说明

图1为超透镜上响应不同波长，对应不同焦点的组合结构阵列平面示意图，w、l、h分别表示四种结构的宽、长、高。

图2为不同波段下左旋圆偏振光(LCP)入射到超透镜上反射的右旋圆偏振光(RCP)和透射的右旋圆偏振光(RCP)示意图。

图3为不同波段下左旋圆偏振光(LCP)入射超透镜后形成的长焦深和双焦点示意图。

图4为在红外波长下石墨烯不同费米能级下的仿真焦距值。

图5为运用仿真软件在不同波段下对整体结构进行仿真之后形成的焦点二维与三维仿真示意图。

(五)具体实施方式

下面结合具体的实施例来进一步阐述本发明。

一种基于多层石墨烯的双焦点与长焦深超透镜的设计过程，具体包括以下步骤：步骤(1).在1μm～3μm的红外和0.5μm-0.73μm的可见光波长工作带宽内，首先根据超表面对光波的特殊调控，通过调整单元结构的参数，使之能够产生全2π的相位变化，优化结构参数最大可能的提高偏振转化率，确定具体柱状偶极子单元结构；步骤(2).对于每种中心波长,根据所需要的焦点和纳米单元结构调控相位机理与不同波长下的不同聚焦要求公式和透镜等光程原理，计算介质超表面上的相位梯度分布以及每个柱状偶极子单元结构需要提供的相位；步骤(3).设计确定高度的柱状结构作为介质超表面的基本单元,将得到的相位梯度分布结合介质超表面的周期性结构,根据每个基本单元的相位要求和Pancharatnam-Berry相位，调节每个单元结构的空间旋转角度，偶极子单元结构旋转和排列后得到的超透镜示意如图1所示；步骤(4).应用多层石墨烯作为基底在红外波段下对入射光进行高反射率的反射并通过改变石墨烯的费米能级为反射光提供所需的附加相位，在不改变超表面结构的情况下来动态的改变焦点的聚焦位置，形成长焦深，在可见光波段下通过多层石墨烯的高透射率形成多焦点。

根据透镜聚焦性，每个透镜可产生一个焦点，但是当多个亚透镜组合在一个透镜中时，每个透镜都会对应于各自波长形成聚焦点，每种透镜结构不同的几何参数对应不同的波段，同时偶极子单元结构旋转不同角度形成所需要的聚焦点。对响应每种波段的超透镜柱状偶极子单元结构进行合理排布之后，将对应于红外和可见光波段的透镜结构进行组合得到多功能超透镜。构成的超透镜如图1所示，四种结构呈同心圆排列。图1中的1、2结构分别响应可见光的红光和蓝光波段形成长焦深，3、4结构分别响应近红外波段、中红外波段形成双焦点。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反射光和透射光，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。

假设入射圆偏振光的电场表示为：

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

我们注意到输出光场圆偏振手性发生反转并且获得了一个额外的相位:

φ_PB＝2σθ (4)

空间指向角θ变化的柱体或其互补结构是构建几何相位型超构表面器件的典型单元结构。该结构对于不同的偏振态具有各向异性，因此，当圆偏振电磁波入射到结构表面，与结构相互作用后透过的电磁波除了含有主偏振电磁波以外，还会激发具有正交偏振态的电磁波。并且正交偏振态电磁波会产生与结构指向角相关的相位突变，相位突变值为2σθ(σ＝±1)。而通过合理设计柱状结构的参数可以使同极化波达到最小，交叉极化波达到最大。左旋圆偏振光束入射超透镜得到的透射和反射光束示意图如图2所示。

如图1所示本设计所提出的超表面四种不同的柱状结构表示四个小透镜。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块。所述的柱状结构包括椭圆柱状、四边柱状、三角柱状、六边柱状和圆柱状等。

一束左旋圆偏振光(LCP)入射到介质超表面上，经过超表面不同的结构响应不同波段，同时在红外波段内由于多层石墨烯的反射，入射光会在它的同侧形成两个不同焦点，并且可以通过调节多层石墨烯的费米能级来动态调节焦点位置形成长焦深，如图3所示,焦距随多层石墨烯费米能级的变化关系如图4所示。同时在可见光波段内对应于两种不同波段的单元结构可以在入射光通过超表面后形成两个独立透射焦点，如图3所示。

当用某一种波段的圆偏振光入射所设计的超表面器件时，通过数值仿真图5可以看出透射光只会产生一个焦点，当逐渐增加入射波段个数相应的仿真焦点个数也会随之增加，这从理论角度说明我们设计的多功能超透镜的可行性。透射光中由于不同结构响应不同波段，超透镜产生了两个焦点，对于反射光则通过调节多层石墨烯的费米能级将产生的双焦点进行拉长形成了长焦深超透镜。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解,本发明不受上述实施例的限制,上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理,在不脱离本发明精神和范围的前提下,本发明还会有各种变化和改进,这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书界定。

Claims (5)

1.一种基于多层石墨烯的双焦点与长焦深超透镜。其特征是：它由柱状偶极子阵列1、SiO₂介质层2、多层石墨烯基底3组成。所述的超透镜可以对不同波段的入射光下实现透射和反射传输，分别形成双焦点和长焦深。所述的多层石墨烯在红外波段下可通过调节费米能级改变聚焦位置形成长焦深，而在可见光波段则形成双焦点，从而得到具有透射和反射双功能的超透镜。

2.根据权利要求1所述的基于多层石墨烯的双焦点与长焦深超透镜，其特征是：利用透镜等光程原理，即对于任意焦点F(x₁,y₁,z₁),超表面相位应满足：

φ(x,y,λ)为超表面坐标点(x,y)处的相位，λ是入射光工作波长。其中，“±”表示入射光的旋向。由(1)式可知，所要求的旋转角的正负依赖于入射光的旋向。确定超表面上每一个不同位置的相位φ(x,y,λ)，就确定了整个超表面反射和透射时的相位分布。

3.如权利要求1所述的一种基于多层石墨烯的双焦点与长焦深超透镜，其特征是：所选取的光波在红外波长和可见光波长范围，根据石墨烯的光学特性，在红外波段内多层石墨烯的表面电导率受费米能级的影响比较大，这为电磁波的反射提供较大的反射率，从而可以形成反射型透镜，而在可见光波段内多层石墨烯则具有较高的透射率，从而形成了透射型透镜。

4.如权利要求1所述的一种基于多层石墨烯的双焦点与长焦深超透镜，其特征是：所述的选取的柱状偶极子的材料特征为：在工作波段介电常数高且损耗低包括非晶硅、氮化硅、磷化嫁、二氧化钛等。

5.如权利要求1所述的一种基于多层石墨烯的双焦点与长焦深超透镜，其特征是：所述的柱状偶极子包括椭圆柱状、四边柱状、三角柱状、六边柱状和圆柱状等。