CN112379514A - 一种偏振无关的超透镜及其设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种偏振无关的超透镜及其设计方法，所述偏振无关的超透镜包括衬底层和用于实现几何相位调制的超表面层，所述超表面层包括呈阵列的若干个对于左旋圆偏振光实现会聚的单元结构和对于右旋圆偏振光实现会聚的单元结构，若干个所述对于左旋圆偏振光实现会聚的单元结构与对于右旋圆偏振光实现会聚的单元结构交叉排列，通过不具有旋转对称性的单元结构实现几何相位调制。本发明实现了偏振无关会聚，对于任意偏振的入射光均可以实现会聚，而无需对入射光进行偏振处理。

Description

一种偏振无关的超透镜及其设计方法
技术领域
本发明涉及超透镜成像技术领域，具体地说，涉及一种偏振无关的超透镜及其设计方法。
背景技术
作为成像系统的关键器件，光学透镜广泛应用于科研、生活、医疗、国防等诸多领域。在现代光学系统的发展中，传统光学透镜面临着诸多难以克服的挑战：其一，光学透镜对入射光束波前的调控基于光传输过程中相位的逐渐累积，因而受限于材料的折射率和透镜的厚度；同时，为了矫正各种像差，需要将多个透镜进行组合设计，这进一步增大了光学系统的体积，阻碍了现代光电器件微型化的发展。其二，光学透镜的制造过程需要经过切割、抛光、研磨等多道工序，并且对于各光学元件的排列有着严格的要求，提高了制造的难度与成本。
而光学超表面是由亚波长单元结构组成的平面结构，可以任意调控光波的相位、振幅与偏振；其中，通过复现透镜对于光波的相位调制分布实现聚焦功能的，即为超透镜。首先，超透镜的尺寸为亚波长量级，非常便于器件的集成；其次，超表面器件可以通过微纳工艺一次制备成型，并且由于器件的电磁响应主要取决于器件结构而非材料本身，因此超透镜可以放松对于材料的选择，有利于降低成本；再者，超透镜对于传统的光学透镜是一项颠覆性的技术，如果超透镜能投入大规模生产，可以预见在很多应用上会替代甚至淘汰光学透镜。
同时，多数超表面器件都需要特定偏振态的光束入射以实现对于空间光场的调制。如果入射偏振态偏离预先设计的要求，器件功能会受到影响甚至无法实现；并且产生特定偏振态的入射光，需要使用偏振片、波片等器件，不仅降低了光能效率而且使系统变得复杂，不利于器件的集成化。
现有的偏振无关的超透镜设计多是基于具有旋转对称性的超表面单元结构，如圆柱体、正方体等。然而在实际的微纳结构制备中，都会有一定的偏差。如果设计的器件容错较小，则会影响到聚焦效果；同时，相比于具有对称结构的单元结构，各向异性的超表面结构具有更多的调控自由度，可以用于多维调控或多功能器件，具有更广阔的应用前景。
发明内容
本发明的目的在于实现偏振无关成像，提出一种超透镜设计方案。
本发明的目的是这样实现的：
一种偏振无关的超透镜，包括衬底层和用于实现几何相位调制的超表面层，所述超表面层包括呈不具有旋转对称性的阵列的若干个对于左旋圆偏振光实现会聚的单元结构和对于右旋圆偏振光实现会聚的单元结构，若干个所述对于左旋圆偏振光实现会聚的单元结构与对于右旋圆偏振光实现会聚的单元结构交叉排列。
进一步的，所述单元结构为长方体纳米柱。
进一步的，所述衬底层为SiO2玻璃。
对应的一种偏振无关的超透镜的设计方法，具体流程如下：
1）将超表面层通过控制单元结构的旋转角进行几何相位调制，根据任意偏振光均可分解为一对左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的理论，最终实现偏振无关：
当纳米柱在xy平面内绕z轴旋转θ时，产生的相移为2θ；即在xy平面内光轴与x轴成θ角的圆偏振光入射几何相位结构之后，交叉偏振光所携带相位为2θ。
透镜会聚光线满足等光程原则，因此设计的超透镜需要提供双曲线形的相位，即超表面上的任意一点(x, y)所提供的相位满足方程：
Figure 872701DEST_PATH_IMAGE001
，其中λ为入射光波长，
Figure 85507DEST_PATH_IMAGE002
为设计的焦距；
超表面层相应的相位通过将对于右旋圆偏振光实现会聚的单元结构旋转
Figure 823919DEST_PATH_IMAGE003
和对于左旋圆偏振光实现会聚的单元结构旋转
Figure 283719DEST_PATH_IMAGE004
实现。
进一步的，所述对于左旋圆偏振光实现会聚的单元结构通过调控纳米柱旋转角在0～π内变化，实现2π相位调制；所述对于右旋圆偏振光实现会聚的单元结构通过调控纳米柱旋转角在0～-π内变化，实现2π相位调制。
具体来说，根据偏振理论，可以证明任意一束偏振光均可以分解为两束正交的圆偏振光，利用琼斯矩阵和狄拉克符号来描述：
左旋、右旋圆偏振光分别为
Figure 638739DEST_PATH_IMAGE005
以其作为基矢，x、y方向的线偏振光可以表示为
Figure 796182DEST_PATH_IMAGE006
而任意的线偏振光可以表示为
Figure 700684DEST_PATH_IMAGE007
其中，θ为超表面单元结构相对于x轴的旋转角。
同理，可将任意的椭圆偏振光表示为
Figure 691905DEST_PATH_IMAGE008
其中，
Figure 580226DEST_PATH_IMAGE009
为
Figure 354410DEST_PATH_IMAGE010
和
Figure 565948DEST_PATH_IMAGE011
的相位差。
对于呈现为几何超表面的超表面层，其相位仅取决于旋转角，与波长、偏振无关，同样可以求得其投射场：
任意单元结构的琼斯矩阵为
Figure 185193DEST_PATH_IMAGE012
其中，
Figure 216603DEST_PATH_IMAGE013
和
Figure 997740DEST_PATH_IMAGE014
分别时各向异性单元的长轴和短轴的复透射系数。
当单元结构与x轴成θ角，其透过率可以表示为
Figure 126101DEST_PATH_IMAGE015
当入射光为左旋圆偏振光时，透射场为
Figure 334491DEST_PATH_IMAGE016
当入射光为右旋圆偏振光时，透射场为
Figure 807192DEST_PATH_IMAGE017
综上所述，根据几何超表面原理，可以通过控制超表面层的单元结构的旋转将任意偏振光分解为一对正交的圆偏振光实现聚焦，其会聚成像效果与偏振无关。
2）超表面层和衬底层的材料选择。
进一步的，所述超表面层的材料选用在聚焦波段具有高透过率、高折射率的材料。
进一步的，在可见光波段实现聚焦时，所述超表面层的材料选用单晶硅、二氧化钛或氮化镓；在红外波段实现聚焦时，所述超表面层的材料选用非晶硅或碲化铅；在紫外波段实现聚焦时，所述超表面层的材料选用二氧化铪。
进一步的，当超透镜为透射式超透镜时，所述衬底层的材料选用在入射波段具有高透过率的材料，包括可见光波段时选用SiO2玻璃；反之，当超透镜为反射式超透镜时，所述衬底层的材料选用具有高反射率的材料，包括可见光波段时选用金属材料。
本发明的有益效果是：
1、本发明实现了偏振无关会聚，对于任意偏振的入射光均可以实现会聚，而无需对入射光进行偏振处理；
2、本发明通过几何超表面层以实现偏振调制，只需改变单元结构的旋转角，无需改变其几何参数，且可以缩小深宽比，使得微纳结构制备难度大为降低；
3、本发明与利用具有旋转对称性的单元结构实现的偏振无关的超透镜相比，其优势是在制备的过程中容错率大为提升，并且在实现调制时具有更高的自由度，可以设计为多功能的器件。
附图说明
图1为本发明超透镜的整体结构的模拟。
图2为本发明超透镜的单元结构的排列示意图，对于左旋及右旋圆偏振光进行对称排列的结构设计。
图3为本发明超透镜的单元结构的模拟一；L代表长度，W代表宽度，P代表周期，h0代表高度；超透镜的单元结构由衬底层上方的长方体纳米柱组成。
图4为本发明超透镜的单元结构的模拟二；L代表长度，W代表宽度，P代表周期，h0代表高度；通过改变纳米柱的旋转角来实现不同相位的调制。
图5为本发明实施例单元结构的波长-透过率曲线图。
图6为本发明实施例对于线偏振光的聚焦效果仿真图。
图7为本发明实施例对于椭圆偏振光的聚焦效果仿真图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明实施实例进行说明。应理解，以下实施例仅用于说明本发明，但并不用来限制本发明的范围。
如图1和图2所示，一种偏振无关的超透镜，包括衬底层和用于实现几何相位调制的超表面层。
超表面层的阵列采用10*10的结构设计，设计的焦距为4um。对于任意相位的左旋圆偏振光或右旋圆偏振光产生一列单元结构，并将相同相位的左旋、右旋圆偏振光结构进行对称排列。
如图3和4所示，超表面层的单元结构采用氮化镓材料，衬底层采用SiO2玻璃；其中，单元结构的长度L=280nm，宽度W=100nm，周期P=330nm，高度h0=800nm。
如图5所示，根据本实施例的透过率跟随波长变化的曲线，本实施例中优选入射波长为550nm。
如图6的本实施例偏振入射光的聚焦效果仿真图所示，对于不同线偏振方向的入射，其仿真结果相同。图7为对本实施例椭圆偏振光的聚焦效果仿真图，对于不同椭圆偏振度的入射光，仿真结果相同。并且比较从图6与图7，线偏振光入射与椭圆偏振光入射时，聚焦效果并无明显差异。
因此证明本发明实现了偏振无关的聚焦。

Claims (8)

1.一种偏振无关的超透镜，其特征在于，包括衬底层和用于实现几何相位调制的超表面层，所述超表面层包括呈不具有旋转对称性的阵列的若干个对于左旋圆偏振光实现会聚的单元结构和对于右旋圆偏振光实现会聚的单元结构，若干个所述对于左旋圆偏振光实现会聚的单元结构与对于右旋圆偏振光实现会聚的单元结构交叉排列。
2.根据权利要求1所述的一种偏振无关的超透镜，其特征在于，所述单元结构为长方体纳米柱。
3.根据权利要求1所述的一种偏振无关的超透镜，其特征在于，所述衬底层为SiO2玻璃。
4.一种偏振无关的超透镜的设计方法，其特征在于，具体流程如下：
将超表面层通过控制单元结构的旋转角进行几何相位调制，根据任意偏振光均可分解为一对左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的理论，最终实现偏振无关：
当纳米柱在xy平面内绕z轴旋转θ时，产生的相移为2θ；
依据
Figure DEST_PATH_IMAGE002
设计单元结构的相位及旋转角，其中λ为入射光波长，
Figure DEST_PATH_IMAGE004
为设计的焦距；相应的相位通过将对于右旋圆偏振光实现会聚的单元结构旋转
Figure DEST_PATH_IMAGE006
和对于左旋圆偏振光实现会聚的单元结构旋转
Figure DEST_PATH_IMAGE008
实现；
超表面层和衬底层的材料选择。
5.根据权利要求4所述的一种偏振无关的超透镜的设计方法，其特征在于，所述对于左旋圆偏振光实现会聚的单元结构通过调控纳米柱旋转角在0～π内变化，实现2π相位调制；所述对于右旋圆偏振光实现会聚的单元结构通过调控纳米柱旋转角在0～-π内变化，实现2π相位调制。
6.根据权利要求4所述的一种偏振无关的超透镜的设计方法，其特征在于，所述超表面层的材料选用在聚焦波段具有高透过率、高折射率的材料。
7.根据权利要求6所述的一种偏振无关的超透镜的设计方法，其特征在于，在可见光波段实现聚焦时，所述超表面层的材料选用单晶硅、二氧化钛或氮化镓；在红外波段实现聚焦时，所述超表面层的材料选用非晶硅或碲化铅；在紫外波段实现聚焦时，所述超表面层的材料选用二氧化铪。
8.根据权利要求4所述的一种偏振无关的超透镜的设计方法，其特征在于，当超透镜为透射式超透镜时，所述衬底层的材料选用在入射波段具有高透过率的材料，包括可见光波段时选用SiO2玻璃；反之，当超透镜为反射式超透镜时，所述衬底层的材料选用具有高反射率的材料，包括可见光波段时选用金属材料。
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