CN112946793A - 基于介质超表面的偏振非依赖宽带消色差器件 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于介质超表面的偏振非依赖宽带消色差器件，利用高折射率介质材料通过柱形结构与传播相位相结合的方法分别来控制入射线偏振光的波前和消除色差，将选取带宽内的光聚焦在同一位置，并通过对探测面的线偏振，即线偏振能量的提取，分析器件的消色差特性,低成本和半导体制造的兼容性使本发明中的消色差器件适合应用于纳米光子学和集成光学，利于器件的小型化、集成化处理。此外，此套方法适用于大频率范围，从可见光波段到太赫兹波段均可实现。

Description

基于介质超表面的偏振非依赖宽带消色差器件

技术领域

本发明属于新型人工复合材料超表面技术领域，具体涉及基于介质超表面的偏振非依赖宽带消色差器件。

技术背景

波长色散是光学材料的一个重要特性，在光学元件和系统的设计中一直起着重要的作用。在大多数介质中，像玻璃，折射率随波长的增加而减小，这称为正常色散。利用这种材料，相比于短波长，在较长波长处折射透镜将具有更大的焦距，而棱镜将以更小的角度偏转。这种色差严重降低了全色光学应用的性能，如通信、检测、成像、显示等。

传统的光学聚焦器件通常是基于折射玻璃透镜，由于其体积大、操作不便、色差大等特点而受到限制。在这些成像系统中，色差来自于复合材料的色散，导致图像质量下降。为了抑制色差和提高成像质量，光学成像系统必然会变得更加笨重和复杂。因此具有微型、超薄、利于集成特性的超表面光学器件正逐步取代传统光学器件。基于超表面实现的光学器件主要由金属和介质两种材料组成，由于金属结构固有的欧姆损失，金属超表面的透射效率极低。反射式金属超表面虽然可以实现高效率，但绝大数主流的光学器件都是透射式器件，反射式超表面并不能适用。惠更斯超表面可以实现很高的透射率，但对结构尺寸非常敏感，对现代工艺具有极大的挑战。而用介质结构代替金属结构以及优化结构参数，可以消除欧姆损失，从而进一步提高反射式超表面的效率。同时可以利用比较成熟的半导体制作工艺来制作介质超表面，因此有利于实现高透射、低损失、具有兼容性的光学器件。

目前，也有超透镜使用多层结构实现双波长和三波长色差的消除。虽然这一策略取得了成功，但它增加了光学系统的重量、复杂性和成本，极大地限制了它们的使用。然而，这些超透镜都受限于偏振依赖性，它们只能聚焦圆偏振光。因此，最近的研究主要集中在可见光和近红外的偏振不敏感消色差超透镜的设计上。然而，如何设计一种不受偏振影响的消色差超透镜来消除中红外波段的色差效应仍然是一个巨大的挑战。

发明内容

本发明的主要技术目的是提出一种基于介质超表面的偏振非依赖宽带消色差器件，工作波段在中红外波段3.7-4.7μm，从而实现了偏振非依赖的宽带消色差功能。为了展示提出原理的通用性，还研究了在相同波长区域中数值孔径(NA)为0.38的消色差偏振不敏感 axilens。

本发明是基于介质超表面的偏振非依赖宽带消色差器件，超表面结构包括高折射率的上层介质单圆柱、环形柱、同心柱和下层低折射率的介质基底，通过结构对称和传播相位相结合的方法分别来控制线偏振光的波前和消除色差，并合理裁剪尺寸构建超表面阵列，通过对探测面的线偏振光，即线偏振光能量的提取和处理，分析器件的消色差特性。

上述设计的器件适用的波长范围是3.7-4.7μm，入射的中心波长为4.2μm。上述超表面使用的介质矩形块为硅块，厚度为4.5μm，基底为氟化钙，厚度为3μm。利用传播相位的原理选择不同原型的柱控制入射线偏振光的波前，使之满足双曲线相位(梯度相位)剖面，从而在选定的中心波长处能实现聚焦(偏转)；同时，利用传播相位作为补偿相位，保证在选取波长范围内，传播相位与波长的倒数呈线性关系，从而消除在中心波长外的波长处的色差效应，即通过选择不同的柱形来获得需要的不同补偿相位值，通过这种结构选择与传播相位相结合的方法实现了在中红外波段的偏振非依赖宽带消色差器件。

由于采用本发明的区别特征发明点而带来的本发明比现有技术显著进步的有益效果如下：

本发明中的超表面偏振非依赖宽带消色差器件采用电介质作为结构单元，利用高折射率材料做调制结构，在所述波段无材料吸收，大大增强透射提高了效率。同时，本发明所述方法适用于大频率范围，从可见光波段到太赫兹波段均可实现。此外，设计的超表面实现的消色差是连续带宽范围内的，除了可以单独用超表面实现消色差，还可与传统光学器件相结合，从而提高超表面消色差器件的性能和尺寸，扩展应用范围。最后，低成本和半导体制造的兼容性使本发明中的消色差器件适合应用于纳米光子学和集成光学。现有的消色差器件是利用色差正负相反的器件集成，整体结构体积偏大且在实现连续带宽消色差方面操作复杂，这将不利于器件的小型化、集成化处理。本发明中采取的入射线偏振光垂直照射超表面结构，根据所选择的入射中心波长，对介质柱进行结构参数扫描和优化，通过改变圆柱硅的尺寸能得到所需的补偿相位，并且实现高透过率。这保证了结构选择与传播相位相结合的方法能控制入射光的波前和消除色差。

本发明中的基于介质超表面的偏振非依赖宽带消色差器件，另一方面是实现了连续带宽范围内的消色差，较以往器件而言，大大减小了体积与成本。

附图说明

图1是透镜的不同色散示意图和BAML的相位分布图。

图2是超单元示意图。

图3是三种原型结构的物理分析。

图4是偏振不敏感BAML的相位分布图。

图5是消色差和衍射超透镜的仿真结果图。

图6是消色差axilens的相位分布。

图7是消色差axilens的所需相位和实现相位图。

图8是消色差和衍射axilens的仿真强度分布图。

具体实施方式

本发明基于介质超表面的偏振非依赖宽带消色差器件的具体实施方式如下：

如图1所示，主要由基底和电介质单圆柱，环形柱和同心柱构成，基底材料为低折射率材料氟化钙，电介质材料为高折射率材料硅。本发明研究了基于电介质超表面的可以将连续带宽内的光聚焦到同一位置的偏振非依赖宽带消色差器件。

偏振非依赖宽带消色差超表面器件参数优化及仿真测试：

(1)偏振非依赖的消色差原理。对于聚焦透镜，色差描述了衍射透镜的焦距(f)对波长(λ)依赖性，由df/dλ＝-f/λ给出。自然地，大多数光学材料具有正(正常)色散，这意味着折射率在较长波长下会降低。因此，由天然介质材料制成的聚焦透镜具有正色散或色差，这表明df/dλ是正数，如图1(a)所示。相反，衍射光栅的聚焦通常具有相反的色散，如图1(b)所示，即df/dλ的符号为负，这与材料特性无关，而是指某个器件参数相对于波长的导数。如图 1(c)所示，当df/dλ的值为零时，聚焦器件是无色散的，并且可以将具有不同波长的光聚焦在同一位置。经过特殊设计的超透镜可以实现这一具有挑战性的消色差任务。

(2)超表面单元结构选取。为了实现宽带消色差功能，需要超表面上每个结构同时满足聚焦相位和补偿相位，而且这两个相位相互独立。为了应对这一挑战，我们设计了新的纳米结构，如图2所示，以实现偏振不敏感的宽带消色差超透镜。对于设计的结构，给定坐标x处的相位为

其中n_eff表示纳米结构的有效折射率，与纳米结构的半径密切相关。特别是，单圆柱为每个相位值提供了最大的补偿相位。这是因为与具有相同外半径的其他两个原型相比，单圆柱具有最高的有效折射率。但是，数值分析表明，该方法对每个相位只能得到单个补偿相位值。换句话说，仅通过单圆柱很难找到同时满足

和

的消色差超透镜的所有超单元。与单圆柱相比，环形柱和同心柱都有相对较低的有效折射率从而能实现更多的补偿相位。因此，我们同时选择了三种原型来设计超透镜

(3)宽带消色差超透镜的设计。以二维面为例进行具体仿真，焦点平面在XOZ平面，透射光所需相位描述如下：

为实现宽带消色差超透镜，公式(1)可改写为：

补偿相位

其中f为焦距，_x为每个结构与焦点的水平距离，λ₀为选取带宽内的最大波长。根据每个子单元结构的位置，确定水平距离x的值，再将其它参数代入上述公式即可得到相应的聚焦相位

和补偿相位

的大小，消色差超透镜示意图和所需相位分布图如图4。对于中心波长4.2μm的入射光，焦距设置为f＝25μm，超单元由43个共振器构成，总长度L_x＝77.4μm。图4(a)和(b)分别绘制了相位

与空间位置的函数和补偿相位

与

的函数这两个关键量，每个超单元的设计波长为4.2μm。结果表明，这些选定超单元实现的相位和补偿相位(红色圆圈)与所需值(黑色曲线和黑色正方形)具有良好的一致性。与圆偏振入射相比，相位

是由传播相位而不是PB相位满足。

(4)偏振不敏感宽带消色差axilens的设计。为进一步证明使用我们提出的纳米结构能进行消色差波前控制，我们研究了消色差 axilens。该透镜的旁轴相位分布(图6)如下所示：

其中引入了旁轴近似(fx)。类似地，旁轴相位分布也是与1 λ线性相关。因此，以上提出的原理也可以在这里应用。设计的消色差axilens的焦距为60μm，NA为0.38。我们也绘制了设计消色差axilens的关键过程，如图6和7所示。根据公式(4)可知，为消除色差，axilens的相位分布也需要分为无色散相位和补偿相位，如图6所示。此外，图7(a)和(b)表明，对于每个超单元，所需值 (黑色曲线和圆圈)和实现值(红色圆圈)在4.2μm的中心波长处彼此吻合较好。图8(a)中绘制了6个采样入射波长下轴向平面的仿真强度分布，入射偏振x偏振。因为我们已经详细讨论了所选的超单元对偏振不敏感，所以在这里不再重复研究入射y偏振时消色差情况。可以看出，消色差axilens的焦点在整个工作带宽内变化很小，这表明色差得到了成功的抑制，特别是与图8(b)所示的衍射axilens 相比。另外，在长波长处抑制色差的效果比在短波长处更好。最重要的原因之一是所设计的消色差axilens不是很好地满足旁轴近似条件。其他原因在宽带消色差超透镜的描述中已经解释了，例如幅度变化和相位误差等。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于介质超表面的偏振非依赖宽带消色差器件，包括上层介质单圆柱，环形柱、同心柱和下层基底，其特征在于:通过柱形结构和传播相位相结合的方法分别来控制入射线偏振光的波前和消除色差，并合理裁剪尺寸构建超表面阵列，通过对探测面的线偏振，即线偏振能量的提取和处理，分析器件的消色差特性。

2.根据权利要求1所述一种基于介质超表面的偏振非依赖宽带消色差器件，特征在于:所述设计器件在入射中心波长4.2μm时，上层高折射率介质硅厚度为4.5μm，晶格常数为1.8μm，基底氟化钙厚度为3μm，通过对探测面的线偏振能量的提取和处理，分析器件的聚焦性能。

3.根据权利要求1所述一种基于介质超表面的偏振非依赖宽带消色差器件，特征在于:所述设计器件在入射除中心波长外的其他波长时，器件实现聚焦的焦平面保持不变，通过对探测面的线偏振能量的提取和处理，分析器件的消色差特性。

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