CN114114677B - 一种双波长消色差偏振无关超构透镜设计方法及超构透镜 - Google Patents

一种双波长消色差偏振无关超构透镜设计方法及超构透镜 Download PDF

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Abstract

本发明实施例提供一种基于PB相位的远红外双波长消色差偏振无关超构透镜，采用分振幅的方式，使每个超构原子同时对左旋圆偏振光和右旋圆偏振光进行聚焦。基于PB相位的调控机理，一个长度较短的矩形纳米柱调控10.6μm波长的光聚焦，一个长度较长的矩形纳米柱调控12μm波长的光聚焦，从而实现消色差功能，最终形成了“X”型超构原子；以解决现有技术中由于制作工艺的限制，基于传输型相位的调控会受超构原子的纵横比大小限制，使得补偿相位大小有限，难以同时实现超构透镜的大透镜尺寸和宽带消色差的问题。

Description

一种双波长消色差偏振无关超构透镜设计方法及超构透镜
技术领域
本发明实施例涉及光学技术领域，尤其涉及一种双波长消色差偏振无关超构透镜设计方法及超构透镜。
背景技术
超构表面是一种由人造亚波长尺寸的超构原子或超构分子组成的二维平面结构，通过巧妙地引入相位突变实现了对电磁波的振幅、相位、偏振等光学性质的调控。不同于基于相位积累来实现电磁波波前调控的传统光学器件，超构表面具有超薄、超轻、易于集成等优点。近年来，人们设计了许多基于超构表面的光学器件，例如全息、涡旋光发生器、光束整形器、超构透镜]等等。其中，超构透镜因其贴合人们生产生活需求而引起了人们的广泛关注。
在超构透镜的设计中，偏振是人们关注的焦点之一。然而，目前报道的许多超构透镜是偏振相关的。显然，偏振相关的超构透镜会限制其应用。幸运的是，目前人们提出了多种实现偏振无关功能的方法。一种比较直观易理解的方式是从超构原子的对称性出发，选用圆形、正方形等具有C4对称和镜像对称的纳米柱作为超构原子。另外一种实现偏振无关功能的方式是采用分区域的方法，由于任何一束光可以分解为两个正交偏振的光，因此可以将超构透镜分成两种区域，一种区域利用PB相位调控右旋圆偏振光(RCP)聚焦，另一种区域利用PB相位调控左旋圆偏振光(LCP)聚焦。另外，有研究人员采用分振幅的方法，基于PB相位的原理，使同一个超构原子同时调控左旋圆偏振光和右旋圆偏振光聚焦。与分区域的方式相比，分振幅的方式能更灵活地调控两正交偏振光的分量大小。
在多波长消色差偏振无关超构透镜的设计中，色差是一个不可避免的重要的问题。近年来，人们提出了多种同时满足消色差和偏振无关的方法。有研究组以圆柱作为超构原子，采用分区域的方式进行消色差，将超构透镜划分为多个区域，一部分区域只对一个波长进行聚焦调控，从而实现多波长消色差聚焦功能。另外一些研究组采用正方形结构作为超构原子，通过参数扫描等方式寻找结构，使该结构满足所需要的补偿相位函数，实现了窄带消色差偏振无关超构透镜。另外一种设计思路是先利用几何相位提供基础的相位分布，使超构原子旋转0°和90°(或45°和135°)，随后使用传输相位补偿色差实现偏振无关消色差功能。
在以上的消色差偏振无关超构透镜的设计中，无论是采用C4对称性结构作为超构原子，还是利用几何相位提供基础相位分布，最终都需要传输相位来补偿色差。然而由于制作工艺的限制，基于传输型相位的调控会受超构原子的纵横比大小限制，使得补偿相位大小有限，难以同时实现超构透镜的大透镜尺寸和宽带消色差。
发明内容
本发明实施例提供一种双波长消色差偏振无关超构透镜设计方法及超构透镜，以解决现有技术中由于制作工艺的限制，基于传输型相位的调控会受超构原子的纵横比大小限制，使得补偿相位大小有限，难以同时实现超构透镜的大透镜尺寸和宽带消色差的问题。
第一方面，本发明实施例提供一种双波长消色差偏振无关构透镜设计方法，包括：
步骤S1、将第一各向异性纳米柱和第二各向异性纳米柱分别绕各自中心旋转后形成超构原子，所述第一各向异性纳米柱和所述第二各向异性纳米柱的长度不同，所述超构原子包括十字型超构原子和一字型超构原子；
步骤S2、确定所述超构原子中第一各向异性纳米柱的第一相位信息和第二各向异性纳米柱的第二相位信息，基于双波长消色差偏振无关构透镜的目标工作波长、目标焦距确定双波长消色差偏振无关构透镜每一点的相位信息；
步骤S3、将若干所述超构原子阵列设于衬底上，形成初始的双波长消色差偏振无关构透镜；基于所述双波长消色差偏振无关构透镜的相位信息确定目标半径、目标焦距下的双波长消色差偏振无关构透镜中，十字型超构原子和一字型超构原子的个数；
步骤S4、基于双波长消色差偏振无关构透镜的目标焦距和实际焦距确定超双波长消色差偏振无关构透镜每一点的相位信息的相位补偿。
作为优选的，所述第一各向异性纳米柱携带目标工作波长λ 1=10.6μm的第一相位信息φ 1，所述第二各向异性纳米柱携带目标工作波长λ 2=12μm的第二相位信息φ 2；其中：
；
上式中，f为超双波长消色差偏振无关构透镜的相位信息的目标焦距，(x,y)空间中任一点；所述第一各向异性纳米柱的长L 1=2.4μm，宽W 1=0.9μm；所述第二各向异性纳米柱的长L 2=3.1μm，宽W 1=0.9μm；所述第一各向异性纳米柱和所述第二各向异性纳米柱叠加后形成的X型超构原子的高度为6.8μm；X型超构原子的周期P=6μm。
作为优选的，所述步骤S2中，在右旋圆偏振光RCP入射情况下，目标工作波长为λ，目标焦距为f的超双波长消色差偏振无关构透镜，其空间每一点(x,y)的相位分布函数为：
；
在左旋圆偏振光RCP入射情况下，超双波长消色差偏振无关构透镜的相位分布函数为：
；
基于偏振光由一组正交圆偏振光组成原理，基于PB相位的超双波长消色差偏振无关超构透镜的相位分布函数变形为：
；
在平行光入射情况下，超双波长消色差偏振无关超构透镜上每个位置的透射电场强度为：
；
其中，j为虚数符号，B为透射光的振幅。
作为优选的，所述步骤S1中，X型超构原子的琼斯矩阵为：
；
上式中，t l 和t s 分别为第一各向异性纳米柱的长轴和短轴的透射系数；t l ’和t s ’分别为第二各向异性纳米柱的长轴和短轴的透射系数；θ 1为第一各向异性纳米柱绕中心旋转的角度，θ 2为第二各向异性纳米柱绕中心旋转的角度；
将X型超构原子的琼斯矩阵简化为：
；
在RCP入射情况下，X型超构原子的透射电场为：
；
上式中，表示RCP，/>表示LCP。
作为优选的，所述步骤S3还包括：
确定由X型超构原子组成的双波长消色差偏振无关构透镜中每一点的透射电场强度：
；
B(λ 1)和B(λ 2)分别为在波长λ下第一各向异性纳米柱和第二各向异性纳米柱的透射光振幅。
作为优选的，所述步骤S4中，对第一各向异性纳米柱的相位分布后增加一个相位补偿C：
；
所述相位补偿取值C为0°或180°。
作为优选的，所述第一各向异性纳米柱和第二各向异性纳米柱的旋转角度为90°的整数倍，以形成十字型超构原子和一字型超构原子，所述双波长消色差偏振无关构透镜包括205个一字型超构原子和100个十字型超构原子。
作为优选的，所述第一各向异性纳米柱和所述第二各向异性纳米柱采用Ge材料，所述第一各向异性纳米柱和所述第二各向异性纳米柱设于BaF2衬底上。
第二方面，本发明实施例提供双波长消色差偏振无关构透镜，所述双波长消色差偏振无关构透镜由本发明第一方面实施例所述方法制成。
本发明实施例提供的一种双波长消色差偏振无关超构透镜设计方法及超构透镜，采用分振幅的方式，使每个超构原子同时对左旋圆偏振光和右旋圆偏振光进行聚焦。基于PB相位的调控机理，一个长度较短的矩形纳米柱调控10.6μm波长的光聚焦，一个长度较长的矩形纳米柱调控12μm波长的光聚焦，从而实现消色差功能，最终形成了“X”型超构原子；以解决现有技术中由于制作工艺的限制，基于传输型相位的调控会受超构原子的纵横比大小限制，使得补偿相位大小有限，难以同时实现超构透镜的大透镜尺寸和宽带消色差的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为根据本发明实施例的基于块平滑神经网络的高光谱数据分析方法流程框图；
图2为根据本发明实施例的超构原子及超构透镜结构示意图；
图3为根据本发明实施例的两个纳米柱在不同波长下的偏振转换效率示意图；
图4（a）为根据本发明实施例的远红外双波长消色差偏振无关超构透镜在LCP光入射下的实际焦距与参考相位C的关系曲线；图4（b）为根据本发明实施例的超构透镜在LCP光入射下的焦移与补偿相位C的关系曲线；
图5为根据本发明实施例的不同偏振光下超构透镜的远场分布图和焦点的强度分布图。
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中的附图，对本发明实施例中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一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本申请实施例中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。
本申请实施例中的术语“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至少一个该特征。本申请的描述中，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列部件或单元的系统、产品或设备没有限定于已列出的部件或单元，而是可选地还包括没有列出的部件或单元，或可选地还包括对于这些产品或设备固有的其它部件或单元。本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
图1为本发明实施例提供一种双波长消色差偏振无关构透镜设计方法，包括：
步骤S1、将第一各向异性纳米柱和第二各向异性纳米柱分别绕各自中心旋转后形成超构原子，所述第一各向异性纳米柱和所述第二各向异性纳米柱的长度不同，所述超构原子包括十字型超构原子和一字型超构原子；
步骤S2、确定所述超构原子中第一各向异性纳米柱的第一相位信息和第二各向异性纳米柱的第二相位信息，基于双波长消色差偏振无关构透镜的目标工作波长、目标焦距确定双波长消色差偏振无关构透镜每一点的相位信息；
步骤S3、将若干所述超构原子阵列设于衬底上，形成初始的双波长消色差偏振无关构透镜；基于所述双波长消色差偏振无关构透镜的相位信息确定目标半径、目标焦距下的双波长消色差偏振无关构透镜中，十字型超构原子和一字型超构原子的个数；
步骤S4、基于双波长消色差偏振无关构透镜的目标焦距和实际焦距确定超双波长消色差偏振无关构透镜每一点的相位信息的相位补偿。
具体的，本实施例方案对分振幅偏振无关超构相位分布理论进行了研究，在右旋圆偏振光RCP入射情况下，目标工作波长为λ，目标焦距为f的超双波长消色差偏振无关构透镜，其空间每一点(x,y)的相位分布函数为：
（1）
在左旋圆偏振光RCP入射情况下，超双波长消色差偏振无关构透镜的相位分布函数为：
（2）
由于任何偏振光都可以由一组正交圆偏振光组成原理，因此，基于PB相位的超双波长消色差偏振无关超构透镜的相位分布函数变形为：
（3）
在平行光入射情况下，超双波长消色差偏振无关超构透镜上每个位置的透射电场强度为：
（4）
其中，j为虚数符号，B为透射光的振幅。
对于绕中心旋转θ角的各向异性晶体，其琼斯矩阵可以表示为：
（5）
其中，和/>分别是沿着单元长方体的长轴（即长方体叠加后的长）和短轴（即长方体叠加后的宽）的线偏振光的透射系数。此时琼斯矩阵/>表示x偏振光，/>表示y偏振光。任何偏振态的光可以分解成两个正交的偏振光。因此，右旋圆偏振光（RCP）和左旋圆偏振光（LCP）可以用x偏振光(XP)和y偏振光(YP)线性叠加表示，即：
（6）
其中和/>分别为RCP和LCP，/>和/>分别为XP和YP，/>为虚数符号。本实施例用表示RCP，/>表示LCP，在圆偏振光入射的情况下，各向异性晶体的琼斯矩阵式(5)可以改写成如下形式：
（7）
将两个不同的各向异性晶体分别绕其中心旋转和/>的角度并叠加在一起，形成X型超构原子，在圆偏振光入射的情况下，X型超构原子的琼斯矩阵可以表示为：
（8）
其中，和/>分别为第一个晶体（即第一各向异性纳米柱）长轴和短轴的透射系数；/>和/>分别为第二个晶体（即第一各向异性纳米柱）长轴和短轴的透射系数。
将X型超构原子的琼斯矩阵简化为：
（9）
（10）
在RCP入射情况下，X型超构原子的透射电场为：
（11）
由式(11)可知，当RCP入射“X”型超构原子时，其出射电磁波同时含有相同相位的RCP以及突变了和/>相位的LCP。由于只有与入射光具有正交偏振态的出射光对相位具有调制作用，因此，对于特定的波长/>，各向异性的晶体的/>和/>应具有/>的相位差，使其偏振转换效率最大，即该各向异性晶体需满足半波片的条件。
为实现双波长消色差偏振无关功能，本实施例采用两个不同的各向异性纳米柱叠加在一起，组成X型超构原子。所述第一各向异性纳米柱携带目标工作波长λ1=10.6μm的第一相位信息φ 1，所述第二各向异性纳米柱携带目标工作波长λ 2=12μm的第二相位信息φ 2；其中：
（12）
因此，由“X”型超构原子组成的超构透镜，其每一点的透射电场强度为
（13）
其中，和/>分别为在波长/>下第一各向异性纳米柱和第二各向异性纳米柱的透射光振幅。
如式(11)和式(13)所示，由于一个纳米柱控制一个波长的相位，对于该波长，另外一个纳米柱的相位调制就是一个干扰项。为尽量减轻另外一个纳米柱的干扰，对于波长，应使：
(或/>)。
如图2所示，图2 (a)X型超构原子俯视图，调控λ 1=10.6μm的纳米柱1（即第一各向异性纳米柱）尺寸为：长L 1=2.4μm，宽W 1=0.9μm；调控λ 2=12μm的纳米柱2（即第二各向异性纳米柱）尺寸为：长L 2=3.1μm，宽W 2=0.9μm；图2 (b)远红外双波长消色差偏振无关“X”型超构原子结构示意图，其中包括Ge构成的X型超构原子，以及下方的BaF2衬底，超构原子的结构高度H=6.8μm，周期P=6μm；图2 (c)纳米柱1携带的λ 1=10.6μm的相位信息φ 1含参考相位C=180°的双波长消色差偏振无关超构透镜结构示意图，超构透镜半径R=60μm、目标焦距f=60μm。
如图3(a)、图3 (c)所示，纳米柱在其工作波长下沿着长轴和短轴的线偏振光相位差均为，且透过率均大于80%，满足半波片的条件。图3(b)、图3(d)分别给出了两个纳米柱在不同波长下的偏振转换效率。在/>时，纳米柱1与纳米柱2的复振幅满足；
时，/>。满足上述结论，即对于波长/>(/>)，应使：/>(或/>)。
如图3中所示，图3 (a)入射光时，TE偏振光与TM偏振光经过纳米柱1透射的相位差和透过率，其中黑色实心圆点实线表示TE透射光和TM透射光的相位差，黑色实心三角形实线表示TE光的透过率，黑色空心三角形实线表示TM光的透过率，蓝色透明区域标明了本实施例关注的波长范围；图3 (b)纳米柱1的波长与偏振转换效率关系图，其中顶部实心圆点标注纳米柱1在/>时的偏振转换效率/>，底部实心圆点标注纳米柱1在/>时的偏振转换效率/>；图3 (c)入射光时，TE偏振光与TM偏振光经过纳米柱2透射的相位差和透过率，其中黑色实心圆点实线表示TE透射光和TM透射光的相位差，黑色实心三角形实线表示TE光的透过率，黑色空心三角形实线表示TM光的透过率，黑色透明区域标明了本实施例的波长范围；(d)纳米柱2的波长与偏振转换效率关系图，其中底部实心圆点标注纳米柱2在/>时的偏振转换效率/>，顶部实心圆点标注纳米柱2在/>时的偏振转换效率/>。
理想情况下，在时，纳米柱1与纳米柱2的透射光复振幅应满足；在/>时，纳米柱1与纳米柱2的透射复振幅应满足。然而，在实际情况中，这是不可能实现的。两个不同的纳米柱直接叠加在一起时，当一个纳米柱对一个波长进行相位调控，另外一个纳米柱对该波长的相位调制会产生扰动。在根据式(12)的相位分布构成的半径R=60μm、目标焦距f=60μm的双波长消色差偏振无关超构透镜中，纳米柱1和纳米柱2的旋转角度为90°的整数倍。当纳米柱1和纳米柱2旋转角度一致时，两纳米柱重叠在一起，形成“-”型结构。由于纳米柱2的尺寸较大，此时纳米柱2起主要调控作用。根据式(2)的相位分布构成的超构透镜中，一共有205个“-”型结构和100个“+”型结构，通过PB相位公式（要求6中公式C取180°）将其排布在衬底上。因此总体上来说，纳米柱2在超构透镜聚焦中起主要调控作用。由于两个纳米柱之间的相互作用，因此实际上超构透镜的相位分布并不能很好地符合式(12)的相位曲线。超构透镜在10.6μm和12μm波长的实际焦距相差较大，具有较大的色差。
在式(12)的相位曲线分布中，若在后面增加一个常数的参考相位C，则会导致整个透镜波前的整体移动，即改变聚焦点的位置，但不会改变焦点光斑的质量。为增强纳米柱1的调控，本实施例在式(12)的相位后增加一个参考相位C，使波前发生整体的移动，从而减少透镜色差，即：
（14）
为确定补偿相位C的具体数值，图4给出了在不同的参考相位下，图4(a)远红外双波长消色差偏振无关超构透镜在LCP光入射下的实际焦距与参考相位C的关系曲线；图4(b) 超构透镜在LCP光入射下的焦移与参考相位C的关系曲线。两个工作波长经过超构透镜后的聚焦位置以及焦移的变化。其中，焦移的定义如下：
（15）
其中，为实际焦点位置，/>为目标焦点位置。如图4所示，当补偿相位C=0°时，超构透镜在λ 1=10.6μm和λ 2=12μm的色差比较大，当补偿相位C在180°附近时，超构透镜的色差较小。由于本实施例设计是基于PB相位的原理。当线偏光入射至旋转了/>角度的纳米柱中，出射光中的RCP分量的相移为/>，LCP分量的相移为/>。为保持超构透镜的偏振无关特性，补偿相位C只能取0°或180°。为兼顾偏振无关和消色差功能，本实施例设计的超构透镜的相位分布函数式(14)中补偿相位取C=180°。如图2(c)所示，此时的双波长消色差偏振无关超构透镜中一共有100个一字型结构和205个十字型结构，纳米柱1的调控作用相对增强。
为展示本实施例设计的双波长消色差偏振无关超构透镜的偏振无关性，图5给出了在不同偏振光下超构透镜的远场分布图和焦点的强度分布图。图5不同偏振的光源入射下，双波长消色差偏振无关超构透镜的远场分布以及焦点处的强度分布图。其中，从左边第一列至第四列分别是右旋圆偏振光入射(RCP)、左旋圆偏振光(LCP)入射、X线偏振光(XP)入射和Y线偏振光(YP)入射的情况。(a1)-(a4)为在不同偏振的λ1=10.6μm的光源入射下，超构透镜的远场分布；(b1)-(b2)为在不同偏振的λ1=10.6μm的光源入射下，超构透镜的焦点处的光场强度分布；(c1)-(c4)为在不同偏振的λ2=12μm的光源入射下，超构透镜的远场分布；(d1)-(d2)为在不同偏振的λ2=12μm的光源入射下，超构透镜的焦点处的光场强度分布。
如图5所示，在工作波长下，无论是哪种偏振光入射，超构透镜的焦点光斑均十分对称，且均聚焦在目标焦点附近。表1给出了在不同偏振光下超构透镜的实际焦距、聚焦效率和FWHM。如表1所示，在右旋圆偏振(RCP)和左旋圆偏振光(LCP)入射的情况下，超构透镜的实际焦距、聚焦效率和FWHM均完全相同，表明超构透镜具有良好的偏振无关特性。然而在X线偏振光(XP)和Y线偏振光(YP)入射时，超构透镜的实际焦距、聚焦效率和FWHM均与圆偏振光入射时有偏差。如图2所示，超构透镜在结构上满足C2对称、但不满足C4对称。对于具有圆对称性的圆偏振光，无论是RCP还是LCP，超构透镜对波前的调控是一致的。但由于线偏振光具有C2对称性却不具有C4对称性，因此超构透镜对XP和YP的波前调控具有一定的差异，导致超构透镜的实际焦距、聚焦效率和FWHM等参数与圆偏振光不同，且不同线偏振光之间也实际焦点参数也不相同。从表1的结果上看，XP和YP的聚焦效果与圆偏振光的聚焦效果相近，表明本文设计的超构透镜仍然具有良好的偏振无关特性。
表1在右旋圆偏振光入射(RCP)、左旋圆偏振光(LCP)入射、X线偏振光(XP)入射和Y线偏振光(YP)入射的情况入射下，对于工作波长λ1=10.6μm和λ2=12μm的光源，双波长消色差偏振无关超构透镜的实际焦距、聚焦效率和半宽高。
综上所述，本发明实施例提出了一种新的消色差偏振无关超构透镜设计方案。使用纳米柱1(长L 1=2.4μm，宽W 1=0.9μm，调控工作波长λ 1=10.6μm)和纳米柱2(长L 2=3.1μm，宽W 2=0.9μm，调控工作波长λ 2=12μm)构成“X”型双波长消色差偏振无关超构原子。基于PB相位原理，纳米柱1和纳米柱2根据相位分布函数式(14)分别旋转θ 1和θ 2，构成了半径R=60μm、目标焦距f=60μm的远红外双波长消色差偏振无关超构透镜。为兼顾偏振无关特性和消色差特性，式(14)的的参考相位选择C=180°。FDTD仿真结果表明，本文设计的超构透镜具有良好的偏振无关性和消色差能力。本文的设计方法有望绕开基于传输型消色差的偏振无关超构透镜的限制，制作出大透镜尺寸和宽光源带宽的消色差偏振无关超构透镜。本文的设计方法可进一步推广至其他需要同时调控多波长和偏振属性的光学器件，如全息、涡旋光发生器、光束整形器等等。
本发明实施例提供双波长消色差偏振无关构透镜，所述双波长消色差偏振无关构透镜由本发明上述实施例所述方法制成。
本发明的各实施方式可以任意进行组合，以实现不同的技术效果。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种双波长消色差偏振无关超构透镜设计方法，其特征在于，包括：
步骤S1、将第一各向异性纳米柱和第二各向异性纳米柱分别绕各自中心旋转后形成超构原子，所述第一各向异性纳米柱和所述第二各向异性纳米柱的长度不同，所述超构原子包括十字型超构原子和一字型超构原子；其中：
所述第一各向异性纳米柱携带目标工作波长λ 1=10.6μm的第一相位信息φ 1，所述第二各向异性纳米柱携带目标工作波长λ 2=12μm的第二相位信息φ 2；其中：
；
上式中，f为超双波长消色差偏振无关超构透镜的相位信息的目标焦距，(x,y)空间中任一点；所述第一各向异性纳米柱的长L 1=2.4μm，宽W 1=0.9μm；所述第二各向异性纳米柱的长L 2=3.1μm，宽W 1=0.9μm；所述第一各向异性纳米柱和所述第二各向异性纳米柱叠加后形成的X型超构原子的高度为6.8μm；X型超构原子的周期P=6μm；
步骤S2、确定所述超构原子中第一各向异性纳米柱的第一相位信息和第二各向异性纳米柱的第二相位信息，基于双波长消色差偏振无关超构透镜的目标工作波长、目标焦距确定双波长消色差偏振无关超构透镜每一点的相位信息；
步骤S3、将若干所述超构原子阵列设于衬底上，形成初始的双波长消色差偏振无关超构透镜；基于所述双波长消色差偏振无关超构透镜的相位信息确定目标半径、目标焦距下的双波长消色差偏振无关超构透镜中，十字型超构原子和一字型超构原子的个数；
步骤S4、基于双波长消色差偏振无关超构透镜的目标焦距和实际焦距确定超双波长消色差偏振无关超构透镜每一点的相位信息的相位补偿。
2.根据权利要求1所述的双波长消色差偏振无关超构透镜设计方法，其特征在于，所述步骤S2中，在右旋圆偏振光RCP入射情况下，目标工作波长为λ，目标焦距为f的超双波长消色差偏振无关超构透镜，其空间每一点(x,y)的相位分布函数为：
；
在左旋圆偏振光RCP入射情况下，超双波长消色差偏振无关超构透镜的相位分布函数为：
；
基于偏振光由一组正交圆偏振光组成原理，基于PB相位的超双波长消色差偏振无关超构透镜的相位分布函数变形为：
；
在平行光入射情况下，超双波长消色差偏振无关超构透镜上每个位置的透射电场强度为：
；
其中，j为虚数符号，B为透射光的振幅。
3.根据权利要求2所述的双波长消色差偏振无关超构透镜设计方法，其特征在于，所述步骤S1中，X型超构原子的琼斯矩阵为：
；
上式中，t l 和t s 分别为第一各向异性纳米柱的长轴和短轴的透射系数；t l ’和t s ’分别为第二各向异性纳米柱的长轴和短轴的透射系数；θ 1为第一各向异性纳米柱绕中心旋转的角度，θ 2为第二各向异性纳米柱绕中心旋转的角度；
将X型超构原子的琼斯矩阵简化为：
；
在RCP入射情况下，X型超构原子的透射电场为：
；
上式中，表示RCP，/>表示LCP。
4.根据权利要求3所述的双波长消色差偏振无关超构透镜设计方法，其特征在于，所述步骤S3还包括：
确定由X型超构原子组成的双波长消色差偏振无关超构透镜中每一点的透射电场强度：
；
B 1(λ)和B 2(λ)分别为在波长λ下第一各向异性纳米柱和第二各向异性纳米柱的透射光振幅。
5.根据权利要求2所述的双波长消色差偏振无关超构透镜设计方法，其特征在于，所述步骤S4中，对第一各向异性纳米柱的相位分布后增加一个相位补偿C：
；
所述相位补偿取值C=180°。
6.根据权利要求2所述的双波长消色差偏振无关超构透镜设计方法，其特征在于，所述第一各向异性纳米柱和第二各向异性纳米柱的旋转角度为90°的整数倍，以形成十字型超构原子和一字型超构原子，所述双波长消色差偏振无关超构透镜包括205个一字型超构原子和100个十字型超构原子，通过PB相位公式将其排布在衬底上。
7.根据权利要求1所述的双波长消色差偏振无关超构透镜设计方法，其特征在于，所述第一各向异性纳米柱和所述第二各向异性纳米柱采用Ge材料，所述第一各向异性纳米柱和所述第二各向异性纳米柱设于BaF2衬底上。
8.一种双波长消色差偏振无关超构透镜，其特征在于，包括如权利要求1至6任意一项所述的双波长消色差偏振无关超构透镜设计方法制成的超构透镜。
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