CN114063202B - 可由任意偏振态调控的多功能超构透镜及其制作方法 - Google Patents

Abstract

一种可由任意偏振态调控的多功能超构透镜及其制作方法，该多功能超构透镜包括基底层和置于基底层上的第一至第三类结构单元，其中，第一类结构单元为长度不同、宽度相同，适用于调控X线偏振光的矩形纳米柱，第二类结构单元为宽度不同、长度相同，适用于调控Y线偏振光的矩形纳米柱，第三类结构单元为半径不同，适用于调控任意偏振光的圆柱形纳米柱，其中，第一至第三类结构单元具有相同的周期和高度，在基底层上按空间复用原则交错排列，对应满足调控所需的预设相位，分别使正交线偏振光和其它偏振光共焦面离轴和在轴聚焦。该透镜可在单波长下实现任意偏振态调控且共面变焦，克服现有多功能超构透镜只能被有限偏振态调控的问题。

Description

可由任意偏振态调控的多功能超构透镜及其制作方法

技术领域

本发明涉及人工电磁材料和微纳光子学领域，特别是涉及一种可由任意偏振态调控的多功能超构透镜及其制作方法。

背景技术

超构透镜(Metalens)是由亚波长结构单元周期阵列组成的平面光学器件，具有优异的电磁特性，适用于高度集成和小型化的光学系统。现阶段，研究人员广泛聚焦于偏振控制的多功能超构透镜的研究，但尚未有人实现可由任意偏振态调控的多功能超构透镜的设计，因而实现任意偏振可调的多功能超构透镜的设计具有重要意义。

为实现偏振调控的多功能超构透镜的设计，国内外科研人员进行了很多相关探索。2012年，伯明翰大学张霜教授团队设计了一种工作于可见光波段的双极性表面等离激元超构透镜，可通过改变入射圆偏振光的旋向来控制透镜的正负极性，首次实现了偏振可调的超构透镜；2017年，哈佛大学Capasso教授团队提出了实现正交偏振态相位独立调控的超表面偏振态光学，为偏振调控的多功能超构透镜的的设计奠定了理论基础；2021年，清华大学杨原牧课题组设计了一种工作于近红外波段，由正交线偏振态控制的介质型多功能超构透镜，并使用该透镜初步实现了水下偏振成像和测距。然而，现有的多功能超构透镜只能被有限偏振态调控，不能被任意偏振态调控。

需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于对本申请的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本发明的主要目的在于克服上述背景技术的缺陷，提供一种可由任意偏振态调控的多功能超构透镜及其制作方法，在单波长下实现任意偏振态调控且共面变焦，克服现有多功能超构透镜只能被有限偏振态调控的问题。为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种可由任意偏振态调控的多功能超构透镜，包括基底层和置于所述基底层上的第一至第三类结构单元，其中，所述第一类结构单元为长度不同、宽度相同，适用于调控X线偏振光的矩形纳米柱，所述第二类结构单元为宽度不同、长度相同，适用于调控Y线偏振光的矩形纳米柱，所述第三类结构单元为半径不同，适用于调控任意偏振光的圆柱形纳米柱，其中，所述第一至第三类结构单元具有相同的周期和高度，在所述基底层上按空间复用原则交错排列，对应满足调控所需的预设相位，分别使正交线偏振光和其它偏振光共焦面离轴和在轴聚焦。

进一步地：

所述基底层为二氧化硅基底层，所述第一至第三类结构单元为硅纳米结构单元。

一种可由任意偏振态调控的多功能超构透镜的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)分别构建适用于X偏振光、Y偏振光和任意偏振光的第一至第三类结构单元库；所述第一至第三类结构单元分别包括长度不同、宽度相同的矩形纳米柱，宽度不同、长度相同的矩形纳米柱，以及半径不同的圆柱形纳米柱，设定的结构参数分别为矩形柱的长和宽以及圆柱的半径，以高透射率和[0,2π]全相位覆盖为评判标准，采用扫描优化的方式来确定合适的参数组合；

2)利用所述第一类结构单元构建适用于X偏振光入射的超表面层；

3)利用所述第二类结构单元构建适用于Y偏振光入射的超表面层；

4)利用所述第三类结构单元构建适用于任意偏振光入射的超表面层。

进一步地：

步骤1)中，结构单元的建模和分析采用基于麦克斯韦方程组的时域有限差分法，所有结构单元在三维坐标系xyz的x、y方向周期阵列在z方向保持相同参数。

步骤1)中，在FDTD中构建相应模型并设定参数变化范围，扫描计算不同尺寸参数下结构单元的透射率和相位值；根据扫描结果，以高透射率和[0,2π]全相位覆盖为评判标准，确定结构单元的最合适参数组合，构建第一至第三类结构单元库。

步骤2)中，对X偏振光，采用离轴方式聚焦，根据预设离轴抛物线相位分布函数得到适用于X偏振光的聚焦超表面层目标位置对应的目标相位，再通过预设评价函数完成目标相位到矩形纳米柱结构参数的映射，进而构建目标位置与矩形纳米柱尺寸的映射关系，完成适用于X偏振光入射的超表面层构建；

步骤3)中，对Y线偏振光，采用与X线偏振光对称的方式离轴聚焦，根据空间复用原则交错排布结构单元，确定结构单元的放置位置，然后采用与构建适用于X线偏振光入射的超表面层同样的方式构建适用于Y线偏振光入射的超表面层；

步骤4)中，对其余任意偏振光，采用在轴的方式聚焦，根据空间复用原则确定偏振不敏感结构单元的放置位置，然后根据在轴抛物线相位分布函数得到目标位置对应的目标相位，再通过预设评价函数完成目标相位到圆柱形纳米柱结构参数的映射，进而构建目标位置与圆柱形纳米柱尺寸的映射关系，完成适用于任意偏振光入射的超表面层构建。

步骤2)中，根据离轴抛物线分布计算适用于X偏振光入射的超表面层所需的目标相位，由下式计算：

其中，λ为透镜工作波长，f₁为透镜聚焦线偏振光的焦距，x₁、y₁为放置第一类结构单元的目标位置相对于透镜中心的坐标，θ为透镜的离轴角度；

根据矩形纳米柱的结构参数组合与对应相位数据集，以及目标位置与目标相位数据集，计算出目标位置所需矩形纳米柱的尺寸。

步骤3)中，根据第二类结构单元的放置位置，计算适用于Y偏振光入射的超表面层所需的目标相位，对Y偏振光，采用与X偏振光离轴对称的方式聚焦，预设相位分布由下式计算：

其中，λ为透镜工作波长，f₁为透镜聚焦线偏振光的焦距，x₂、y₂为放置第二类结构单元的目标位置相对于透镜中心的坐标，θ为透镜的离轴角度；

根据矩形纳米柱的结构参数组合与对应相位数据集，以及目标位置与目标相位数据集，计算出目标位置所需矩形纳米柱的尺寸。

步骤4)中，根据第三类结构单元的放置位置，计算适用于任意偏振光入射的超表面层所需的目标相位，对任意偏振光，采用在轴方式聚焦，预设相位分布由下式计算：

其中，λ为透镜工作波长，f₂为透镜聚焦任意偏振光的焦距，x₃、y₃为放置第三类结构单元的目标位置相对于透镜中心的坐标；

根据圆柱形纳米柱的结构参数组合与对应相位数据集，以及目标位置与目标相位数据集，计算出目标位置所需圆柱形纳米柱的尺寸。

所述方法还包括以下步骤中至少一者：

5)相位失配校正：微调各超表面层间的相对位置，降低相位失配度，实现非理想目标焦点消除；

6)聚焦能量调控：在不破坏多焦共面的前提下，通过调整各超表面层的尺寸来调节对应焦点的能量。

本发明具有如下有益效果：

本发明首次提出一种可被任意偏振态调控的多功能超构透镜及其制作方法，以空间复用、各偏振态独立共焦面设计为准则，将相关偏振敏感和不敏感结构单元交错排布，使透镜可被任意偏振态独立调控，且调控后焦平面不发生变化，实现了单个透镜同时产生两个相同偏振特性或三个不同偏振特性的共面焦点，克服了现有的多功能超构透镜偏振调控受限且焦点偏振特性单一的问题，促进了偏振控制的多功能超构透镜的研究进展，推动了多功能超构透镜在偏振成像方面的应用。

附图说明

图1是本发明实施例的方法构建可由任意偏振态调控的多功能超构透镜的流程图；

图2是本发明实施例第一类结构单元的主视图；

图3是本发明实施例第二类结构单元的主视图；

图4是本发明实施例第三类结构单元的主视图；

图5是本发明实施例超表面层空间复用及单元结构交错分布示意图，其中(a)(b)(c)表示逐个确定三类结构单元的放置位置的过程；

图6是本发明实施例超构透镜的结构示意图；

图7是本发明实施例中适用于X偏振光入射的第一类结构单元的透射率和相位扫描示意图；

图8是本发明实施例超构透镜在不同偏振光调控下的聚焦示意图。

具体实施方式

以下对本发明的实施方式做详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接既可以是用于固定作用也可以是用于耦合或连通作用。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

参阅图2至图6，本发明实施例提供一种可由任意偏振态调控的多功能超构透镜，所述透镜包括二氧化硅基底层和置于其上的三种硅纳米结构单元。其中，第一类结构单元为长度不同、宽度相同，适用于调控X线偏振光的矩形纳米柱；第二类结构单元为宽度不同、长度相同，适用于调控Y线偏振光的矩形纳米柱；第三类结构单元为半径不同，适用于调控任意偏振光的圆柱形纳米柱，三种结构单元具有相同的周期和高度，其在基底上按空间复用原则交错排列，对应满足调控所需的预设相位，分别使正交线偏振光和其它偏振光共焦面离轴和在轴聚焦。由于设计过程中以空间复用的方式将偏振敏感和偏振不敏感结构单元相结合，采用各偏振态独立共焦面设计，所以透镜可被任意偏振态的入射光调控，且调控后焦平面不发生变化。

参阅图1至图6，本发明实施例还提供一种上述任意偏振态控制的多功能超构透镜的制作方法，具体包括以下步骤：

1)确定透镜结构单元库。所述透镜共包含三个结构单元库，分别适用于X偏振光、Y偏振光和任意偏振光。三种结构单元分别由长度不同、宽度相同的矩形纳米柱，宽度不同、长度相同的矩形纳米柱和半径不同的圆柱形纳米柱组成，设定的结构参数分别为矩形柱的长和宽以及圆柱的半径。在设计中，需以高透射率和[0,2π]全相位覆盖为评判标准，采用扫描优化的方式来确定合适的参数组合，完成各类单元库的构建。结构单元具体的建模和分析采用基于麦克斯韦方程组的时域有限差分法，且所有结构单元在三维坐标系xyz的x、y方向周期阵列，在z方向保持相同参数。

2)构建适用于X偏振光入射的超表面层。对X线偏振光，采用离轴方式聚焦，为此，需根据预设离轴抛物线相位分布函数得到适用于X偏振光的聚焦超表面层目标位置对应的目标相位，再通过预设评价函数完成目标相位到矩形纳米柱结构参数的映射，进而构建目标位置与矩形纳米柱尺寸的映射关系，完成适用于X偏振光入射的超表面层构建。

3)构建适用于Y偏振光入射的超表面层。对Y线偏振光，采用与X线偏振光对称的方式离轴聚焦，同时，根据空间复用原则交错排布结构单元。为此，需先确定结构单元放置位置，然后采用与构建适用于X线偏振光入射的超表面层同样的流程构建适用于Y线偏振光入射的超表面层。

4)构建适用于任意偏振光入射的超表面层。对其余任意偏振光，采用在轴的方式聚焦。首先根据空间复用原则确定偏振不敏感结构单元的放置位置，然后根据在轴抛物线相位分布函数得到目标位置对应的目标相位，再通过预设评价函数完成目标相位到圆柱形纳米柱结构参数的映射，进而构建目标位置与圆柱形纳米柱尺寸的映射关系，完成适用于任意偏振光入射的超表面层构建。

5)相位失配校正。由于采用空间复用将多个超表面层相结合，所以不可避免的会产生相位失配，因而需微调各超表面层间的相对位置，尽可能降低相位失配度，实现非理想目标焦点消除。

6)聚焦能量调控。所述透镜在焦平面可形成多个焦点，为保证应用效果，应保证各焦点的能量基本一致，在不破坏多焦共面的前提下，可通过调整各超表面层的尺寸来调节对应焦点的能量。

7)偏振调控与验证。利用FDTD分别计算不同偏振光入射下透镜的远场场分布，观察入射光偏振态对透镜聚焦效果的影响。

以下进一步描述本发明具体实施例。

本发明提出了一种可由任意偏振态调控的多功能超构透镜，透镜由三种类型的若干矩形和圆柱形硅纳米柱交错排布组成，对应满足所需预设相位。由于制作过程中，以空间复用、各偏振态独立共焦面设计为准则，将相关偏振敏感和不敏感结构单元交错排布，所以透镜可被任意偏振态调控，实现单个透镜同时产生两个相同偏振特性或三个不同偏振特性的共面焦点。上述透镜的整体构建流程如图1所示，详细步骤如下：

1)构建适用于X线偏振光入射的第一类结构单元模型并进行参数扫描。如图2所示，该结构单元由二氧化硅基底和宽度相同、长度不同的矩形硅纳米柱组成，结构参数包括矩形纳米柱的长和宽；在FDTD中构建相应模型并设定参数变化范围，扫描计算不同尺寸参数下结构单元的透射率和相位值，如图7所示。

2)根据步骤1)中的扫描结果，以高透射率和[0,2π]全相位覆盖为评判标准，确定结构单元最合适参数组合，构建第一类结构单元库。需要注意的是：考虑到实际加工的便捷性，在满足要求的条件下，应尽可能使所有结构单元具有较小的深宽比。

3)计算适用于X偏振光入射的超表面层所需的目标相位。对X偏振光，采用离轴聚焦，其预设目标相位符合离轴抛物线分布，可由下式计算得出：

上式中，λ为透镜工作波长，f₁为透镜聚焦线偏振光的焦距，x₁、y₁为放置第一类结构单元的目标位置相对于透镜中心的坐标，θ为透镜的离轴角度。

4)构建上述超表面层目标位置与第一类结构单元尺寸的映射关系，根据步骤2)中得到的纳米柱不同结构参数组合与对应相位数据集和步骤3)中得到的目标位置与目标相位数据集，计算出目标位置所需矩形纳米柱的尺寸。

5)在步骤1)-4)的基础上，完成适用于X偏振光入射的超表面层构建。

6)构建第二类结构单元库。第二类结构单元由二氧化硅基底和宽度相同、长度不同的矩形硅纳米柱组成，如图3所示。与构建第一类结构单元库一样，先按步骤1)所述方式进行结构单元建模和参数扫描，再按步骤2)所述方式确定最合适参数组合，完成单元库构建。

7)确定第二类结构单元的放置位置。适用于聚焦Y偏振光的第二类结构单元采用空间复用、交错分布的方式排布，如图5(a)→(b)所示，根据这一原则逐个确定第二类结构单元的放置位置。

8)根据步骤7)中所得第二类结构单元的放置位置，计算适用于Y偏振光入射的超表面层所需的目标相位。对Y偏振光，采用与X偏振光离轴对称的方式聚焦，预设相位分布可由下式计算得出：

上式中，λ为透镜工作波长，f₁为透镜聚焦线偏振光的焦距，x₂、y₂为放置第二类结构单元的目标位置相对于透镜中心的坐标，θ为透镜的离轴角度。

9)构建第二类结构单元目标位置与结构尺寸的映射关系，构建方式与步骤4)中所述方式一致。

10)在步骤6)-9)的基础上，完成适用于Y偏振光入射的超表层构建。

11)构建第三类结构单元库。第三类结构单元由二氧化硅基底和半径不同的圆柱形硅纳米柱组成，如图4所示。与构建第一类结构单元库一样，先按步骤1)所述方式进行结构单元建模和参数扫描，再按步骤2)所述方式确定最合适参数组合，完成单元库构建。

12)确定第三类结构单元的放置位置。适用于聚焦任意偏振光的第三类结构单元也采用空间复用、交错分布的方式排布，如图5(b)→(c)所示，根据这一原则逐个确定第三类结构单元的放置位置。

13)根据步骤12)中所得第三类结构单元的放置位置，计算适用于任意偏振光入射的超表面层所需的目标相位。对任意偏振光，采用在轴方式聚焦，预设相位分布可由下式计算得出：

上式中，λ为透镜工作波长，f₂为透镜聚焦任意偏振光的焦距，x₃、y₃为放置第三类结构单元的目标位置相对于透镜中心的坐标。

14)构建第三类结构单元目标位置与结构尺寸的映射关系，构建方式与步骤4)中所述方式一致。

15)在步骤11)-14)的基础上，完成适用于任意偏振光入射的超表层构建。

16)相位失配校正。所述透镜由三个超表面层按空间复用原则组合而成，在透镜表面会存在三种相位梯度，它们之间会相互影响，产生相位失配，因而需微调各超表面层间的相对位置，尽可能降低相位失配度，实现非理想目标焦点消除。

17)聚焦能量调控。所述透镜在焦平面可产生多个焦点，为保证应用效果，应保证各焦点的能量基本一致，在不破坏多焦共面的前提下，调整每个超表面层的尺寸来调节相应焦点的能量。

18)偏振调控与验证。使用FDTD分别计算不同偏振光作用下透镜的远场场分布，如图8所示，在不同偏振光的作用下，本发明实施例中透镜实现了焦数可调和焦点偏振组合特性可调，且调控后焦平面不发生变化。

本发明的多功能超构透镜可在单波长下实现任意偏振态调控且共面变焦，克服现有多功能超构透镜只能被有限偏振态调控的问题。

本发明优选提供在800nm波长下基于二氧化硅和硅材料的较佳实施例，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需要设计任意偏振态调控的多功能超构透镜时，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明的背景部分可以包含关于本发明的问题或环境的背景信息，而不一定是描述现有技术。因此，在背景技术部分中包含的内容并不是申请人对现有技术的承认。

以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。在本说明书的描述中，参考术语“一种实施例”、“一些实施例”、“优选实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。尽管已经详细描述了本发明的实施例及其优点，但应当理解，在不脱离专利申请的保护范围的情况下，可以在本文中进行各种改变、替换和变更。

Claims (10)

1.一种可由任意偏振态调控的多功能超构透镜，其特征在于，包括基底层和置于所述基底层上的第一至第三类结构单元，其中，所述第一类结构单元为长度不同、宽度相同，适用于调控X线偏振光的矩形纳米柱，所述第二类结构单元为宽度不同、长度相同，适用于调控Y线偏振光的矩形纳米柱，所述第三类结构单元为半径不同，适用于调控任意偏振光的圆柱形纳米柱，其中，所述第一至第三类结构单元具有相同的周期和高度，在所述基底层上按空间复用原则交错排列，对应满足调控所需的预设相位，分别使正交线偏振光和其它偏振光共焦面离轴和在轴聚焦，其中，对X线偏振光，采用离轴方式聚焦，对Y线偏振光，采用与X线偏振光对称的方式离轴聚焦，对其余任意偏振光，采用在轴的方式聚焦。

2.如权利要求1所述的多功能超构透镜，其特征在于，所述基底层为二氧化硅基底层，所述第一至第三类结构单元为硅纳米结构单元。

3.一种可由任意偏振态调控的多功能超构透镜的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)分别构建适用于X偏振光、Y偏振光和任意偏振光的第一至第三类结构单元库；所述第一至第三类结构单元分别包括长度不同、宽度相同的矩形纳米柱，宽度不同、长度相同的矩形纳米柱，以及半径不同的圆柱形纳米柱，设定的结构参数分别为矩形柱的长和宽以及圆柱的半径，以高透射率和[0,2π]全相位覆盖为评判标准，采用扫描优化的方式来确定合适的参数组合；

2)利用所述第一类结构单元构建适用于X偏振光入射的超表面层；

3)利用所述第二类结构单元构建适用于Y偏振光入射的超表面层；

4)利用所述第三类结构单元构建适用于任意偏振光入射的超表面层。

4.如权利要求3所述的制作方法，其特征在于，步骤1)中，结构单元的建模和分析采用基于麦克斯韦方程组的时域有限差分法，所有结构单元在三维坐标系xyz的x、y方向周期阵列在z方向保持相同参数。

5.如权利要求3至4任一项所述的制作方法，其特征在于，步骤1)中，在FDTD中构建相应模型并设定参数变化范围，扫描计算不同尺寸参数下结构单元的透射率和相位值；根据扫描结果，以高透射率和[0,2π]全相位覆盖为评判标准，确定结构单元的最合适参数组合，构建第一至第三类结构单元库。

6.如权利要求3至4任一项所述的制作方法，其特征在于，步骤2)中，对X偏振光，采用离轴方式聚焦，根据预设离轴抛物线相位分布函数得到适用于X偏振光的聚焦超表面层目标位置对应的目标相位，再通过预设评价函数完成目标相位到矩形纳米柱结构参数的映射，进而构建目标位置与矩形纳米柱尺寸的映射关系，完成适用于X偏振光入射的超表面层构建；

步骤3)中，对Y线偏振光，采用与X线偏振光对称的方式离轴聚焦，根据空间复用原则交错排布结构单元，确定结构单元的放置位置，然后采用与构建适用于X线偏振光入射的超表面层同样的方式构建适用于Y线偏振光入射的超表面层；

步骤4)中，对其余任意偏振光，采用在轴的方式聚焦，根据空间复用原则确定偏振不敏感结构单元的放置位置，然后根据在轴抛物线相位分布函数得到目标位置对应的目标相位，再通过预设评价函数完成目标相位到圆柱形纳米柱结构参数的映射，进而构建目标位置与圆柱形纳米柱尺寸的映射关系，完成适用于任意偏振光入射的超表面层构建。

7.如权利要求6所述的制作方法，其特征在于，步骤2)中，根据离轴抛物线分布计算适用于X偏振光入射的超表面层所需的目标相位，由下式计算：

其中，λ为透镜工作波长，f₁为透镜聚焦线偏振光的焦距，x₁、y₁为放置第一类结构单元的目标位置相对于透镜中心的坐标，θ为透镜的离轴角度；

根据矩形纳米柱的结构参数组合与对应相位数据集，以及目标位置与目标相位数据集，计算出目标位置所需矩形纳米柱的尺寸。

8.如权利要求6所述的制作方法，其特征在于，步骤3)中，根据第二类结构单元的放置位置，计算适用于Y偏振光入射的超表面层所需的目标相位，对Y偏振光，采用与X偏振光离轴对称的方式聚焦，预设相位分布由下式计算：

其中，λ为透镜工作波长，f₁为透镜聚焦线偏振光的焦距，x₂、y₂为放置第二类结构单元的目标位置相对于透镜中心的坐标，θ为透镜的离轴角度；

根据矩形纳米柱的结构参数组合与对应相位数据集，以及目标位置与目标相位数据集，计算出目标位置所需矩形纳米柱的尺寸。

9.如权利要求6所述的制作方法，其特征在于，步骤4)中，根据第三类结构单元的放置位置，计算适用于任意偏振光入射的超表面层所需的目标相位，对任意偏振光，采用在轴方式聚焦，预设相位分布由下式计算：

其中，λ为透镜工作波长，f₂为透镜聚焦任意偏振光的焦距，x₃、y₃为放置第三类结构单元的目标位置相对于透镜中心的坐标；

根据圆柱形纳米柱的结构参数组合与对应相位数据集，以及目标位置与目标相位数据集，计算出目标位置所需圆柱形纳米柱的尺寸。

10.如权利要求6所述的制作方法，其特征在于，还包括以下步骤中至少一者：

5)相位失配校正：微调各超表面层间的相对位置，降低相位失配度，实现非理想目标焦点消除；

6)聚焦能量调控：在不破坏多焦共面的前提下，通过调整各超表面层的尺寸来调节对应焦点的能量。

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