CN110297287B - 一种圆偏振二向色性超透镜和包括该超透镜的光路系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种圆偏振二向色性超透镜和包括该超透镜的光路系统，所述超透镜包括基底和表面结构；所述表面结构包括金属层和呈阵列设置的多个螺旋面结构，所述金属层形成在所述螺旋面结构上，多个所述螺旋面结构设置在所述基底上；多个所述螺旋面结构沿径向的旋转角角度范围为0～360°，且经过所述超透镜的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的相位能够实现全相位延迟。本发明实施例的超透镜能够为单一器件实现聚焦成像和圆二向色性的复合式功能提供了新思路，并且在手性传感测量、成像、显示和生物检测等方面有巨大的应用前景。

Description

一种圆偏振二向色性超透镜和包括该超透镜的光路系统

技术领域

本发明涉及偏振器技术领域，特别涉及一种圆偏振二向色性超透镜和包括该超透镜的光路系统。

背景技术

随着纳米光子学和纳米加工技术的快速发展，微纳结构光学器件因其设计灵活，调控电磁场的能力强，体积小，重量轻，且易于集成，可实现多种功能器件，引起了人们的广泛关注，其中，具有成像功能和偏振检测功能的微纳器件是最被广泛研究的两类。与传统的光学透镜相比，超透镜是一种具有微纳结构的超表面透镜，通过调控亚波长尺度的微纳结构来控制透射或反射场中电磁波的振幅、相位和偏振态。基于表面等离子激元(SPP)、局部表面等离子激元 (LSP)、MIE共振和几何相位(也称为Pancharatnam-Berry相位，PB相位)等机理可以实现透射或反射场中聚焦或成像。等离子体透镜由一系列金属等离子体天线组成，由于SPP/LSP效应的存在，在入射电磁波与透射/反射电磁波之间产生与金属天线的几何形状和尺寸相关的不连续性相位。利用不同几何形状和尺寸的V型金纳米天线阵列产生球面波前或贝塞尔光束的构想已经在电信波段得到了实验证明。由取向变化的等离子体偶极子天线阵列构成的双极性超透镜根据入射圆偏振光的旋向不同可以实现凸透镜与凹透镜的切换。与等离子体透镜不同，基于Mie共振的全介质超透镜也可以实现高效聚焦，例如利用不同尺寸的硅质椭圆柱实现透镜聚焦功能。最近，利用P-B相位设计聚焦成像光学表面的研究引起了很多关注。不同于传输相位，P-B相位是通过改变微纳光栅结构的方位角得到特定的相位分布。超透镜的每个结构单元类似于具有不同方位角θ的半波片(HWP)，当增加2θ的突变相位时使得透射或反射的圆偏振光与入射光正交。因此，基于P-B相位可以操纵透射光的相位分布从而在圆偏振光照射下实现闪耀光栅和透镜等功能。由高深宽比和高折射率透明介质的纳米块构成的亚波长高分辨率和宽带消色差光学成像器件已经在可见光波段得到实验证明。

不同于对物体的直接成像，偏振态的检测包含了物体更多的内部成分和结构信息，特别是在检测与物体(例如DNA分子或药物)的结构对称性(即手性)相关的透射或反射光的圆偏振信息方面显得尤为重要。由于在结构设计，尺寸调控和材料选择等方面的灵活性，超表面显示出较强的光学活性(Optical Activity,OA)和圆二向色性(CircularDichroism,CD)，因而引起了人们的广泛关注。基于等离子激元效应和超材料与入射光之间的手性匹配效应，三维手性超材料在中红外波段表现出极好的圆偏振二色性，即对左右旋圆偏振光具有明显的选择性透过，例如三维金螺旋线阵列和三维金螺旋曲面阵列。与三维手性超材料工作原理不同，二维手性结构通过破坏平面内的镜面对称性也能实现强烈的圆偏振二色性，例如工作于通信波段的在硅质中刻蚀Z型结构的超表面偏振器件和L型金属超表面偏振器件。

虽然这些基于超表面或超材料的元器件在聚焦成像或圆二向色性方面展示出极好的性能，但是集手性成像和圆二向色性于一体的功能性器件仍然没有取得重大进展。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种圆偏振二向色性超透镜和包括该超透镜的光路系统。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

本发明实施例提供了一种圆偏振二向色性超透镜，所述超透镜包括基底和表面结构；所述表面结构包括金属层和呈阵列设置的多个三维螺旋面结构，所述金属层形成在所述螺旋面结构上，多个所述螺旋面结构设置在所述基底上；多个所述螺旋面结构沿径向的旋转角角度范围为0～360°，且经过所述超透镜的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的相位能够实现全相位延迟。

进一步地，所述基底的材质为玻璃或树脂或硅。

进一步地，所述螺旋面结构的材质为树脂或玻璃或硅。

进一步地，每个所述螺旋面结构的顶面上形成有所述金属层；或，

每个所述螺旋面结构的顶面上，以及相邻的螺旋面结构之间露出的基底缝隙上均形成有所述金属层。

进一步地，所述金属层为金层或银层或铝层。

进一步地，所述螺旋面结构的周期为0.4～1.5μm，螺旋面半径R为 0.2～0.75μm，高度为0.4～1.8μm，金属层厚度为0.05～0.2μm。

进一步地，每个所述螺旋面结构的旋转角与其对应位置处的相位延迟满足预设条件。

进一步地，所述预设条件包括确定每个所述螺旋面结构的相位延迟，每个所述螺旋面结构的相位延迟满足以下公式：

其中，f指所述超透镜焦点到所述超透镜中心点的焦距，Φ(x,y)指螺旋面结构对应位置处的相位延迟，单位：弧度；Φ(0,0)指超透镜几何中心位置处相位，对应位置处的相位，单位：弧度；x指螺旋面结构对应位置处的x轴坐标，单位：μm，y指螺旋面结构对应位置处的y轴坐标，单位：μm，λ为入射波长，单位：μm，n为任意正整数。

进一步地，所述超透镜的响应波长为0.4～12μm。

进一步地，所述超透镜的右旋圆偏振光和左旋圆偏振光的透过率差的绝对值大于0.5。

本发明实施例还提供了一种光路系统，所述光路系统包括圆偏振光光源和上述任一种所述超透镜，所述圆偏振光光源产生的圆偏振光能够照射到所述超透镜上。

本发明实施例提供了一种圆偏振二向色性超透镜和包括该超透镜的光路系统，其中超透镜实现了作为集手性成像和圆二向色性于一体的功能性器件，可同时实现对左右旋圆偏振光的偏振态选择以及聚焦成像选择，例如在透射场中实现了对右旋圆偏振光聚焦，对左旋圆偏振光不聚焦的效果，设计焦距和模拟焦距高度吻合，焦斑大小接近衍射极限理论值。此外，该超透镜在0.4～12宽波段范围内都能实现对左右旋圆偏振光选择性的聚焦效果，且圆偏振二向色性保持在50％以上。

本发明实施例的超透镜通过梯度相位分布结构得到了稳定的高圆偏振二向色性，即在超透镜的整个平面上的多个三维螺旋面结构具有变化的方位旋转角，不同于现有的相同方位旋向周期性排布的螺旋面结构超表面，可以通过控制螺旋面结构的旋转角θ来实现透射场中的任意相位分布。从而，本发明实施例的超透镜能够为单一器件实现聚焦成像和圆二向色性的复合式功能提供了新思路，并且在手性传感测量、成像、显示和生物检测等方面有巨大的应用前景。

附图说明

图1为本发明实施例中超透镜一个可选的结构示意图；

图2为图1中一个螺旋面结构的放大图，图中示出了基底；

图3为本发明实施例中超透镜一个可选结构的电镜图；

图4为右旋圆偏振光入射本发明实施例一个可选结构的超透镜上的功能示意图；

图5为左旋圆偏振光入射本发明实施例一个可选结构的超透镜上的功能示意图；

图6为4μm波长处左旋和右旋圆偏振光透过率随旋转角θ变化的曲线；

图7为4μm波长处左旋和右旋圆偏振光相位随旋转角θ变化的曲线；

图8为4μm波长处左旋和右旋圆偏振光反射率随旋转角θ变化的曲线；

图9为4μm波长处左旋和右旋圆偏振光相位延迟特性，随着旋转角θ变化的曲线；

图10为3-5μm波段圆偏振光透过率和相位随旋转角θ变化的曲线图；其中， (a)～(b)为右旋、左旋圆偏振光透过率图，(c)～(d)为右旋、左旋圆偏振光相位图；

图11为3-5μm波段圆偏振光反射率和相位随旋转角θ变化的曲线图；其中， (a)～(b)为右旋、左旋圆偏振光反射率图，(c)～(d)为右旋、左旋圆偏振光相位图；

图12为本发明实施例超透镜聚焦原理示意图。

图13为本发明超透镜相位分布图；

图14为本发明实施例超透镜阵列中心区域俯视图。

图15为右旋圆偏振光入射时焦平面Z＝20μm处的能量分布图；

图16为左旋圆偏振光入射时焦平面Z＝20μm处的能量分布图；

图17为沿X、Y轴截取的能量曲线；

图18为沿Z轴截取的能量曲线；

图19为3-5μm波段圆偏振光入射时X-Z平面的能量分布图；

图20为3-5μm波段左右旋圆偏振光透过率曲线；

图21为4μm波长处圆偏振光入射到左手性螺旋面结构时的电流分布图，其中，(a)～(c)为左旋圆偏振光入射时的三维图(d)～(f)俯视图，(g)～(i)右旋圆偏振光入射时的三维图(j)～(l)俯视图，旋转角θ为0°，30°和60°；

图22为右旋和左旋圆偏振光透射光谱和反射光谱的偏振特性，其中，(a)～(c) 为3-5μm右旋圆偏振光的总透过率、左旋和右旋分量，(d)～(f)为3-5μm左旋圆偏振光的总反射率、左旋和右旋分量；

图23为4μm右旋圆偏振光透射场的偏振分量；

图24为4μm左旋圆偏振光反射场的偏振分量；

图25为本发明实施例超透镜4μm波长处相位延迟分布；

图26为本发明实施例超透镜右旋圆偏振光聚焦特性；

图27为本发明实施例超透镜3-5μm波段左右旋圆偏振光透过率；

图28为本发明实施例超透镜右左旋圆偏振光聚焦特性；

图29为本发明实施例超透镜右旋和左旋圆偏振光聚焦特性测量结果，其中，(a)～(b)为拍摄原图，(c)～(d)为锁相处理后的光强分布图；

图30为沿图29中X方向截取的强度曲线；

图31为沿图29中Y方向截取的强度曲线；

图32为右旋和左旋圆偏振光透过率实验结果与理论计算对比图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。

如图1和图2所示，本发明实施例提供了一种圆偏振二向色性超透镜10，超透镜10包括基底12和表面结构13；表面结构13包括金属层14和呈阵列设置的多个三维螺旋面结构11，金属层14形成在螺旋面结构11上，多个三维螺旋面结构11设置在基底12上；多个三维螺旋面结构11沿径向的旋转角角度范围为0～360°，且经过超透镜的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的相位能够实现全相位延迟。

具体地，三维螺旋面结构指亚波长三维螺旋面结构。优选地，基底12的材质为玻璃或树脂或硅。进一步优选地，螺旋面结构11的材质为树脂或玻璃或硅。再进一步优选地，金属层14为金层或银层或铝层。在本发明一个具体实施例中，超透镜由镀金层的螺旋型树脂结构和硅基底组成，螺旋面结构的半径为R，高度为L，金层的厚度为H，结构周期为P，结构沿径向的旋转角为θ，即螺旋起始线与X轴的夹角。20指光线。

本发明实施例超透镜的上述参数优化过程中，采用基于时域有限差分法的商业软件对该结构的光学传输特性进行数值模拟和理论研究。仿真区域的初始条件设置如下：在X、Y方配层边界条件。光源从基底方向正入射，圆偏振光由两个振幅相同，偏振方向分别沿X、Y方向且相位差90°的线偏振光合成，定义迎着光传播方向观察，电场矢量顺时针旋转为右旋圆偏振光，电场矢量逆时针旋转为左旋圆偏振光。

经过优化，本发明实施例的螺旋面结构参数为：螺旋面结构半径 R＝0.2～0.75μm，例如螺旋面结构半径R＝0.2μm、0.35μm、0.50μm、0.62μm、0.75μm 等。螺旋面高度L＝0.4～1.8μm，例如螺旋面高度L＝0.4μm、0.55μm、0.6μm、0.9μm、 1.1μm、1.5μm、1.8μm等。金属层厚度H＝0.05～0.2μm，例如金属层厚度H＝0.05μm、 0.08μm、0.13μm、0.15μm、0.2μm等。周期P＝0.4～1.5μm，例如周期P＝0.4μm、 0.52μm、0.65μm、0.80μm、0.95μm、1.1μm、1.5μm等。可以理解的是，螺旋面结构半径、螺旋面高度、金属层厚度以及周期并不限于以上参数，以上参数仅作为最优选择。本发明实施例的多个三维螺旋面结构相位延迟与螺旋面结构方位旋转角θ之间呈线性关系，从而，多个三维螺旋面结构11沿径向的旋转角θ角度可在0～360°范围内变化。即在整个超透镜平面结构上，多个三维螺旋面结构具有变化的方位角，不同于现有的相同方位旋向周期性排布的螺旋结构超表面。优选地，超透镜的响应波长为0.4～12μm。如图2所示，旋转角指螺旋起始线与x轴方向的夹角。

图2示出的螺旋面结构为左旋，其旋向与左旋偏振光的偏振矢量旋向相同。此时，具有上述参数的超透镜在红外波段0.4～12μm范围内圆偏振二向色性达 90％的三维螺旋面结构。例如图4和图5所示，对于左旋的螺旋面结构，当某右旋圆偏振光(RCP))入射到超透镜(CMCD)上，在设计的焦平面上实现透射聚焦，且透射光的偏振态发生转换；而具有相反旋向的左旋圆偏振光(LCP) 入射到同一个CMCD上时，则在反射场中实现聚焦。

可以理解的是，螺旋面结构还可以为左旋，其旋向与右旋偏振光的偏振矢量旋向相同。

螺旋面结构的上述参数至少可通过以下实验数据进行验证：

设螺旋结构的半径R＝0.75μm，高度L＝1.8μm，金层厚度H＝0.1μm，结构周期P＝1.5μm，结构沿径向的旋转角θ为0～360°，即螺旋起始线与X轴的夹角。图3为4μm波长的左右旋圆偏振光入射时透过率和相位随旋转角θ变化的曲线。从图6中可以看出，当螺旋面结构旋转时，对任意角度θ，左旋和右旋圆偏振光的透过率都存在巨大差异，右旋圆偏振光的透过率在80％以上，而左旋圆偏振光的透过率在10％以下，从而可以实现高圆偏振二向色性。从图7可以看出，随着旋转角θ的不断变化，左旋和右旋圆偏振光的相位实现了全相位延迟(-π～π)，但两条曲线的变化趋势相反。此外，相位延迟与螺旋面结构方位旋转角θ之间形成了近乎完美的线性关系，可以实现连续的相位分布，这与以往通过离散的相位延迟实现光场调控相比具有重大突破。利用该特性，可以通过控制螺旋面结构的旋转角θ来实现透射场中的任意相位分布。

从图8可以明显地看出，左旋圆偏振光大部分被反射，而右旋圆偏振光的反射率几乎为零，且在任意方位旋转角度下都保持一致性。图9反映了反射场中左右旋圆偏振光的相位延迟特性，随着方位旋转角θ的不断变化，左旋圆偏振光实现了全相位延迟(-π～π)，且形成了完美的线性关系，但对于入射的右旋圆偏振光，因其反射率几乎为零，发生了相位突变，仅在-π、0、π三个值附近变化。

更进一步地，以3-5μm宽波段为例，对3-5μm宽波段的左右旋圆偏振光透过率、反射率和相位随方位旋转角θ的变化进行的研究发现其依然展示出极好的圆偏振二向色性和全相位延迟特性，如图10和图11所示。

需要说明的是，红外波段0.4～12μm其他波段的左右旋圆偏振光透过率、反射率和相位随方位旋转角θ的变化进行的研究也能够展示出极好的圆偏振二向色性和全相位延迟特性。但为了研究方便，若无特殊说明，以下对超透镜性能的研究均以3-5μm宽波段的左右旋圆偏振光为例。

在本发明一些实施例中，每个螺旋面结构的旋转角与其对应位置处的相位延迟满足预设条件。进一步地，该预设条件包括确定每个螺旋面结构的相位延迟，每个螺旋面结构的相位延迟满足以下公式1：如图12所示，图12显示了超透镜的原理示意图。

其中，f指所述超透镜焦点到所述超透镜中心点的焦距，Φ(x,y)指螺旋面结构对应位置处的相位延迟，单位：弧度；Φ(0,0)指超透镜几何中心位置处相位，对应位置处的相位，单位：弧度；x指螺旋面结构对应位置处的x轴坐标，单位：μm，y指螺旋面结构对应位置处的y轴坐标，单位：μm，λ为入射波长，单位：μm，n为任意正整数。具体地，焦点F到透镜中心点O的焦距为f，点A是超透镜平面上任意一点。根据上述公式可以准确地计算出超透镜平面上任意点所需要的相位延迟。根据相位延迟分布，找到产生所需相位延迟的方位旋转角θ，经过结构排布就可以实现任意的波前设计。

超透镜几何中心位置设为坐标原点(0,0)，将超透镜平面按照螺旋面结构单元的周期P分割成紧密排列的正方形单元，每个单元内的相位延迟由单元中心位置坐标带入上述公式得出。如图13是具有上述具体参数的超透镜的相位分布图，设计焦距f＝20μm，图中不同灰度颜色的单元代表对应位置的相位延迟，范围是-π～π，共37×37阵列。图14是对应的超透镜阵列结构中心区域俯视图，图14中虚线箭头指虚线框中的放大图。依照相位分布图，将具有对应方位旋转角θ的螺旋面结构排布到对应位置。

图15至图18是使用模拟软件得到的聚焦结果。图15和图16分别是右旋圆偏振光和左旋圆偏振光入射时透射场中Z＝20μm处X-Y焦平面内的能量分布图，从图中我们可以直观地看出入射的右旋圆偏振光在透过超透镜后产生了聚焦，而左旋圆偏振光入射时未产生聚焦。图17是分别对图15和图16沿着X＝0、 Y＝0截取的能量曲线，其中右旋圆偏振光入射时聚焦光斑的半高宽(峰值一半处的宽度)为2.6μm，与衍射极限d＝1.76μm接近，衍射极限由下述公式2计算得出(D为超透镜的口径)。图18是沿Z轴截取的能量曲线，能量最大值在 Z＝20.1μm处，与我们设计的焦距f＝20μm吻合，焦深约为2.5μm。

通过更进一步的研究发现，目标波长为4μm的超透镜在3-5μm宽波段范围内依然表现出优异的聚焦特性和高圆二向色性。图19(a)～(e)、(f)～(j)分别是波长为3μm、3.5μm、4μm、4.5μm、5μm的右旋圆偏振光和左旋圆偏振光入射时在透射场中Y＝0μm处X-Z平面的能量分布图。对于入射的右旋圆偏振光，在4μm 的设计波长下，在Z＝20μm目标焦距处获得了焦点，对其他4个波长也分别在不同位置处实现了聚焦，而对于入射的左旋圆偏振光，在这5个波长处均未得到聚焦效果，从而实现了在宽波段范围内的不对称聚焦。

图20显示了所设计的超透镜在3～5μm范围内的圆偏振二向色性。可以看出，在整个工作波段范围内右旋和左旋圆偏振光的透过率差(即圆偏振二向色性)稳定保持在0.7以上。值得一提的是，在宽光谱区域中得到的稳定的高圆偏振二向色性是通过梯度相位分布结构实现的，即在整个平面上的螺旋面结构单元具有变化的方位角，不同于现有的相同方位旋向周期性排布的螺旋结构超表面。

为了解释本发明实施例超透镜的工作机理，本发明实施例还探究了不同旋转角度下单元结构内部的电流分布。从表面等离子激元共振的角度来看，金属螺旋面结构的高圆二向色性是波矢匹配的结果。入射的左旋圆偏振光的偏振矢量旋向与金属螺旋面结构的旋向相同，使得金属螺旋面结构内部产生了较强的表面等离子激元共振效应，抑制了电磁波的透过；而右旋圆偏振光的旋向与结构的几何旋向相反，不会引起强烈的表面等离子激元共振效应，因此右旋圆偏振光几乎全部透过。我们对比了在旋转角θ为0°，30°和60°情况下4μm波长处左右旋圆偏振光入射到左手性螺旋面结构时的空间电流分布图，如图21所示。第一排为左旋圆偏振光入射时金属螺旋面结构的三维空间电流分布图，第二排为相应的电流分布俯视图。第三排为右旋圆偏振光入射时金属螺旋面结构的三维空间电流分布图，第四排为相应的电流分布俯视图。可以很清晰地看到，在左旋圆偏振光入射时，表面等离子激元共振明显，在螺旋面上产生了很强的诱导电流，而当右旋圆偏振光入射时，表面等离子激元共振不明显，螺旋面上的诱导电流较弱且电场方向杂乱。

为了进一步了解螺旋面结构的圆偏振二向色性，本发明实施例还数值模拟并分析了在3-5μm宽波段下该结构透射光谱和反射光谱的偏振特性。图22(a)～(c) 显示了右旋圆偏振光经过左手性螺旋面结构后的总透过率、左旋分量和右旋分量，我们可以直观地看到，透射光的偏振分量绝大部分转化为左旋圆偏振光，且在结构旋转一周的情况下仍然保持一致性，即对于右旋圆偏振光来说，该结构如同偏振转换器。图22(d)～(f)显示左旋圆偏振光经过左手性螺旋面结构后的总反射率、左旋分量和右旋分量，反射光的偏振分量大部分转化为右旋圆偏振光，即对于左旋圆偏振光来说，该结构如同平面反射镜。为了更加清晰地说明，图23和24展示了在4μm波长处右旋圆偏振光透射场的偏振分量和左旋圆偏振光反射场的偏振分量。

如图25至图28所示。可以看到，在全金属覆盖的情况下，螺旋面结构依然保持较好的线性全相位延迟，且右旋圆偏振光通过金属全覆盖型手性超透镜的聚焦效果与非全覆盖型的相一致，左旋圆偏振光不聚焦。在圆偏振二向色性方面，在3-4μm波段范围内随着波长的不断减小，圆偏振二向色性随之减小，但在4-5μm波段范围内依然保持了较高的圆偏振二向色性。

本发明实施例的金属层可以是非全覆盖，例如每个所述螺旋面结构的顶面上形成有所述金属层，但是相邻两个螺旋面结果之间裸露的基底缝隙不设置金属层。或者，金属层为全覆盖，即每个所述螺旋面结构的顶面上，以及相邻的螺旋面结构之间露出的基底缝隙上均形成有所述金属层。全覆盖更加便于超透镜的制作，简化金属层的形成。如图2所示，每个螺旋面结构的顶面上，以及相邻的螺旋面结构之间露出的基底缝隙上均形成有所述金属层。超透镜优选采用三维激光直写在硅基底上制作出螺旋柱结构，然后采用电子束蒸发技术镀上金属层，之后不再需要复杂的刻蚀工艺。相对现有技术中非全覆盖的金属层，本发明实施例的超透镜制作工艺更加简单。

具体地，在本发明另一个具体实施例中，超透镜可以由以下过程制备：首先采用三维激光直写系统在厚度为175μm的玻璃基片上曝光出根据特定相位延迟排布的具有不同旋转角的多个三维螺旋面结构，每个螺旋面结构均为纳米柱。其中，螺旋面结构半径R为0.75μm，高度H为1.8μm，周期P为1.5μm，然后采用电子束蒸镀的方式镀一层厚度为0.1μm的金层。具体操作流程如下：

1、清洗玻璃基片。将玻璃基片依次置于丙酮溶液、酒精溶液中超声10min，除去污垢，再用去离子水清洗，最后用高压氮气吹干。

2、固定玻璃基片并涂胶。将玻璃基片用胶水粘合在专用的样品支架上，在基片的正面涂上光刻胶，在反面滴上折射率匹配油。

3、建立加工模型并导入。使用三维建模软件绘制三维螺旋面结构超透镜，然后进行直写加工。

4、显影。光聚合过程结束后，取出样品并放入到异丙醇溶液中显影20min，再放入到另一份异丙醇溶液中清洗5min，最后用高压氮气吹干，同时注意使用氮气枪的喷射速度不宜过大。

5、镀膜。采用电子束蒸发技术，在准备好真空腔体(真空度为1×10-4Pa)、打开电子束电源后，进行蒸镀，设置蒸镀厚度为100nm。

为了便于后续测量，本发明实施例制作了按数值仿真设计中超透镜尺寸及焦距等比例放大的螺旋面结构超透镜，81×81阵列，焦距为50μm。图3为实验制备的超透镜电镜图。从图中可清晰地看出螺旋面结构阵列排列整齐，螺旋面结构的旋转角度分布、半径、高度等几何参数与设计值相吻合。

为了进一步验证理论设计的正确性，本发明实施例还提供了一种圆偏振二色性及聚焦的实验测量光路系统。光路系统包括圆偏振光光源和上述任一种超透镜，圆偏振光光源产生的圆偏振光能够照射到所述超透镜上。

具体地，氮化硅红外光源经过斩波器的调制、准直系统、红外偏振片和四分之一波片得到圆偏振光。偏振片的起偏方向和四分之一波片的光轴的夹角决定了圆偏振光的旋转方向，当偏振片的起偏方向与波片光轴的夹角为45°时，得到左旋圆偏振光；当夹角为-45°时，得到右旋圆偏振光。实验中所用的调制频率为10Hz。圆偏振光照射到超透镜结构上，再经过一组红外透镜的放大，最后由红外热像仪采集焦平面的热图像序列，如图29(a)和图29(b)是右旋和左旋圆偏振光分别入射到超透镜样品后在透射场中拍摄到的热图像，直观上来看二者并没有任何区别，且样品的轮廓都清晰可见，这是因为所关注的有效信号湮没在较强的背景辐射噪声中，如图29(a)中左上角的背景辐射所示。因此需要将热图像序列再输入至MATLAB软件中进行锁相处理以抑制较强的背景辐射噪声，从而顺利提取微弱信号，得到如图30和图31中右旋和左旋圆偏振光分别入射到超透镜样品后透射场中的聚焦结果。

从图29(c)和(d)光强分布图的对比中可以清晰地看出，右旋圆偏振光入射后在透射场形成了聚焦，(c)图中心的亮点即为焦斑，而左旋圆偏振光未产生聚焦且透过率低。图30和图31是图29(c)和(d)中心点沿水平(X)和垂直(Y)方向的强度分布线扫描值，其中，图30中两个箭头之间的距离为9.63μm，图31 中两个箭头之间的距离为6.42μm。图中仅显示中心点附近60个像素点的强度值。两个方向的强度分布趋势相一致，与理论设计相吻合。

进一步地，本发明实施例使用碲镉汞液氮制冷探测器测量左右旋圆偏振光在3-5μm宽波段下的透过率，如图16光路图所示，用右上方虚线框中的探测器替换下方的红外热像仪，将测得信号转化为电信号，和来自斩波器的参考信号一同输入到锁相放大器，提取消除背景噪声后的有效信号。图32给出了左右旋圆偏振光透过率的实验测量结果，展示出了较好的圆二向色性，实验结果与数值仿真结果具有相同的趋势，在3.75-5μm波段右旋圆偏振光的透过率略低于数值仿真结果，在3-3.75μm波段的透过率则略高于理论值，而左旋圆偏振光在 3-5μm整个波段的透过率均略高于数值仿真结果。理论模拟和实验测量结果之间的这种偏差主要是由于三维激光直写制备中结构加工精度受到限制，螺旋面结构的曲面有一定的梯度，而不是连续平滑的曲面，对超透镜的性能会带来一定影响；此外，在电子束蒸发镀膜过程中，附着在螺旋面结构侧壁上的金颗粒也会影响器件性能。

综上所述，本发明实施例通过控制螺旋面结构单元的方位角旋转角度可以灵活地调控相位，获得线性的全相位延迟(-π～π)，且对于任意的旋转角度，该结构都能保持高圆偏振二向色性。基于此特性设计了应用于0.4～12μm波长处的具有圆偏振二向色性的手性超透镜，可同时实现对左右旋圆偏振光的偏振态选择以及聚焦成像选择，即在透射场中实现了对右旋圆偏振光聚焦，对左旋圆偏振光不聚焦的效果，设计焦距和模拟焦距高度吻合，焦斑大小接近衍射极限理论值。此外，该超透镜在0.4～12μm宽波段范围内都能实现对左右旋圆偏振光选择性的聚焦效果，且圆偏振二向色性保持在50％以上。本发明实施例的超透镜为单一器件为同时实现聚焦成像和圆二向色性的复合式功能提供了新思路，并且在手性传感测量、成像、显示和生物检测等方面有巨大的应用前景。

根据本发明实施例的超透镜和光路系统的其他结构和操作对于本领域技术人员而言都是可以理解并且容易实现的，因此不再详细描述。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种圆偏振二向色性超透镜，其特征在于，所述超透镜包括基底和表面结构；所述表面结构包括金属层和呈阵列设置的多个三维螺旋面结构，所述金属层形成在所述螺旋面结构上，多个所述螺旋面结构设置在所述基底上；多个所述螺旋面结构沿径向的旋转角角度范围为0～360°，且经过所述超透镜的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的相位能够实现全相位延迟；

所述旋转角指螺旋起始线与x轴方向的夹角；

每个所述螺旋面结构的旋转角与其对应位置处的相位延迟满足预设条件；

所述预设条件包括确定每个所述螺旋面结构的相位延迟，每个所述螺旋面结构的相位延迟满足以下公式：

其中，f指所述超透镜焦点到所述超透镜中心点的焦距，Φ(x,y)指螺旋面结构对应位置处的相位延迟，单位：弧度；Φ(0,0)指超透镜几何中心位置处相位，对应位置处的相位，单位：弧度；x指螺旋面结构对应位置处的x轴坐标，单位：μm，y指螺旋面结构对应位置处的y轴坐标，单位：μm，λ为入射波长，单位：μm，n为任意正整数。

2.根据权利要求1所述的超透镜，其特征在于，所述基底的材质为玻璃或树脂或硅；或/和，

所述螺旋面结构的材质为树脂或玻璃或硅。

3.根据权利要求1所述的超透镜，其特征在于，每个所述螺旋面结构的顶面上形成有所述金属层；或，

每个所述螺旋面结构的顶面上，以及相邻的螺旋面结构之间露出的基底缝隙上均形成有所述金属层。

4.根据权利要求1所述的超透镜，其特征在于，所述金属层为金层或银层或铝层。

5.根据权利要求1所述的超透镜，其特征在于，所述螺旋面结构的周期为0.4-1.5μm，螺旋面半径R为0.2-0.75μm，高度为0.4-1.8μm，金属层厚度为0.05-0.2μm。

6.根据权利要求1所述的超透镜，其特征在于，所述超透镜的响应波长为0.4-12μm。

7.根据权利要求1所述的超透镜，其特征在于，所述超透镜的右旋圆偏振光和左旋圆偏振光的透过率差的绝对值大于0.5。

8.一种光路系统，其特征在于，所述光路系统包括圆偏振光光源和权利要求1至7任一项所述超透镜，所述圆偏振光光源产生的圆偏振光能够照射到所述超透镜上。

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