CN114200669A - 基于空间复用的多偏振态多功能超构透镜及其制作方法 - Google Patents

Abstract

一种基于空间复用的多偏振态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和第二类结构单元，其中，第一类结构单元为长度和宽度不同的矩形纳米柱，第二类结构单元为尺寸相同、转角不同的矩形纳米柱，其中，第一类结构单元和第二类结构单元在基底层上按空间复用原则交错排列，对应满足不同偏振态入射光的预设相位，分别使正交线偏振光和圆偏振光共焦面离轴和在轴聚焦，其中，第一类结构单元和第二类结构单元分别通过传输相位和几何相位实现对正交线偏振光和圆偏振光的调控。该多功能超构透镜可在单波长下实现三偏振态调控、共面变焦，克服现有多功能超构透镜只能被双偏振态调控且调控后焦平面发生变化的问题。

Description

基于空间复用的多偏振态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，特别是涉及一种基于空间复用的多偏振态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组成的平面光学器件，具有优异的电磁特性，可以弥补传统透镜体积大、不易集成的缺陷。在现有设计中，各种偏振相关和偏振无关的超构透镜已被广泛研究，但由偏振控制的多功能超构透镜尚未被充分研究，因而实现偏振控制的多功能超构透镜的设计具有重要意义。

为实现偏振控制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。2017年，哈佛大学Capasso教授团队提出了超表面偏振态光学——任意正交偏振态的独立相位控制，为实现偏振控制的多功能超构透镜的的设计奠定了理论基础；2018年，南京大学徐挺教授团队设计了一种通过改变入射光的偏振态来调控焦距的全介质超构透镜；2020年，藤树云课题组提出了一种双焦点超构透镜，可通过改变入射光的偏振态产生不同偏振特性组合的焦点；2021年，清华大学杨原牧课题组设计了一种由线偏振控制的双焦点离轴超构透镜，并使用该透镜初步实现了水下偏振成像和测距。然而，现有的这些多功能超构透镜只能被两种偏振态调控，且调控后焦平面往往会发生变化。

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，提供一种基于空间复用的多偏振态多功能超构透镜及其制作方法，在单波长下实现三偏振态调控、共面变焦，克服现有多功能超构透镜只能被双偏振态调控且调控后焦平面发生变化的问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于空间复用的多偏振态多功能超构透镜，包括基底层和置于所述基底层上的第一类结构单元和第二类结构单元，其中，所述第一类结构单元为长度和宽度不同的矩形纳米柱，所述第二类结构单元为尺寸相同、转角不同的矩形纳米柱，其中，所述第一类结构单元和第二类结构单元在所述基底层上按空间复用原则交错排列，对应满足不同偏振态入射光的预设相位，分别使正交线偏振光和圆偏振光共焦面离轴和在轴聚焦，其中，所述第一类结构单元和所述第二类结构单元分别通过传输相位和几何相位实现对正交线偏振光和圆偏振光的调控。

进一步地：

所述基底层为二氧化硅基底层，所述第一类结构单元和所述第二类结构单元为硅纳米结构单元。

所述第二类结构单元的单元周期为所述第一类结构单元周期的两倍。

一种基于空间复用的多偏振态多功能超构透镜的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)分别构建适用于正交线偏振入射光和圆偏振入射光的第一类结构单元库和第二类结构单元库；其中，所述第一类结构单元为长度和宽度不同的矩形纳米柱，设定的结构参数为矩形的长和宽，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；其中，所述第二类结构单元为由尺寸相同、转角不同的矩形纳米柱，设定的结构参数为矩形的长和宽，以高透射率和高交叉偏振转换效率为评判标准，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正交线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圆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方向保持相同的参数。

步骤1)中，在FDTD中构建相应模型并设定参数变化范围，分别扫描计算x和y偏振光入射下，不同尺寸参数的结构单元对应的透射率和相位值；根据扫描结果，以高透射率和[0,2π]全相位覆盖为评判标准，确定第一类结构单元最合适的参数组合，构建所述第一类结构单元库。

步骤2)中，对正交线偏振光，采用离轴对称的方式聚焦；根据预设离轴抛物线相位分布函数分别得到适用于x和y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结构单元参数的映射，进而构建目标位置与结构单元尺寸的映射关系，完成适用于正交线偏振光入射的超表面层的构建。

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

其中，φ_x(x₁,y₁)和φ_y(x₁,y₁)分别为目标位置对x和y偏振光所需满足的相位突变，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1)中，计算第二类结构单元的交叉偏振转换效率，其中，在FDTD中构建相应模型并编写交叉偏振转换效率的计算脚本，调整第二类结构单元中矩形纳米柱的长和宽，使第二类结构单元在透镜工作波长下有设定的高透射率和交叉偏振转换效率。

步骤3)中，对圆偏振光，采用在轴的方式聚焦，并根据空间复用原则交错排布的方式，确定第二类结构单元的放置位置，然后根据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P-B几何相位关系完成目标相位到结构单元转角的映射，进而构建目标位置与结构单元转角的映射关系，完成适用于圆偏振光入射的超表面层的构建；

优选地，具体包括：

根据第二类结构单元的放置位置，计算适用于圆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，f₂为透镜聚焦圆偏振光的焦距，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；

第二类结构单元采用P-B几何相位对入射圆偏振光进行相位调控，结构单元转角与其可产生的相位满足如下关系式：

其中，φ为对应转角可产生的相位，α为结构单元转角，±由入射圆偏光的旋向决定；

构建第二类结构单元的目标位置与对应转角的映射关系，根据目标相位和相位转角关系，计算出目标位置对应的矩形纳米柱转角。

本发明具有如下有益效果：

本发明首次提出一种通过空间复用的方式来实现多偏振态调控的多功能超构透镜。采用表面复用、三种偏振态独立共焦面设计，使透镜可被各偏振态独立或联合调控，且调控后焦平面不发生变化，克服了现有的多功能超构透镜只能被双偏振态调控且调控后焦平面变化的问题，促进了偏振控制的多功能超构透镜的研究进展，推动了超构透镜在偏振成像和偏振测距等方面的应用。

附图说明

图1是本发明实施例的方法构建基于空间复用的多偏振态控制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俯视图；

图4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；

图5是本发明实施例超构透镜的结构示意图；

图6是本发明实施例中适用于正交线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7是本发明实施例中适用于圆偏振光入射的第二类结构单元的透射曲线和交叉偏振转换效率曲线；

图8是本发明实施例超构透镜在不同偏振光作用下的聚焦示意图。

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5，本发明实施例提供一种基于空间复用的多偏振态控制的多功能超构透镜，所述超构透镜包括二氧化硅基底层和置于其上的两种类型的若干硅纳米结构单元。其中，一类结构单元为长度和宽度变化的矩形纳米柱，另一类结构单元为尺寸相同、转角不同的矩形纳米柱，二者分别通过传输相位和几何相位实现对正交线偏振光和圆偏振光的调控。两种结构单元在基底上按空间复用原则交错排列，对应满足不同偏振态入射光的预设相位，分别使正交线偏振光和圆偏振光共焦面离轴和在轴聚焦。由于设计过程中采用表面复用、三种偏振态独立共焦面设计，所以透镜可被各偏振态入射光单独调控或联合调控，且调控后焦平面不发生变化。

参阅图1至图5，本发明实施例还提供一种上述基于空间复用的多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。所述透镜共包含两个结构单元库，分别适用于正交线偏振入射光和圆偏振入射光，前者由长度和宽度变化的矩形纳米柱组成，设定的结构参数为矩形的长和宽，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，完成第一类单元库的构建；后者由尺寸相同、转角不同的矩形纳米柱组成，设定的结构参数为矩形的长和宽，需以高透射率和高交叉偏振转换效率为评判标准，确定最合适参数组合，完成第二类单元库的构建。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方向保持相同的参数。

2)构建适用于正交线偏振光入射的超表面层。对正交线偏振光，采用离轴对称的方式聚焦。为此，需根据预设离轴抛物线相位分布函数分别得到适用于x和y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结构单元参数的映射，进而构建目标位置与结构单元尺寸的映射关系，完成对应超表面层构建。

3)构建适用于圆偏振光入射的超表面层。对圆偏振光，采用在轴的方式聚焦，同时，根据空间复用原则交错排布结构单元。为此，需首先确定结构单元放置位置，然后根据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P-B几何相位关系完成目标相位到结构单元转角的映射，进而构建目标位置与结构单元转角的映射关系，完成适用于圆偏振光入射的超表面层构建。

4)偏振调控与验证。利用FDTD分别计算单偏振态、双偏振态和三偏振态入射光作用下透镜的远场场分布，观察入射光偏振态对所设计透镜聚焦效果的影响。

以下进一步描述本发明具体实施例。

本发明提出了一种基于空间复用的多偏振态控制的多功能超构透镜及制作方法，透镜由两种矩形纳米柱交错排布组成，对应满足不同偏振态入射光的预设相位。由于制作过程中采用表面复用、三种偏振态独立共焦面设计，所以透镜可被各偏振态入射光单独调控或联合调控，且调控后焦平面不发生变化。上述透镜的整体构建流程如图1所示，详细步骤如下：

1)构建适用于正交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，分别扫描计算x和y偏振光入射下，不同尺寸参数的结构单元对应的透射率和相位值，如图6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)计算适用于正交线偏振光入射的超表面层所需的目标相位。对x和y线偏振光，采用离轴对称的方式聚焦，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，φ_x(x₁,y₁)和φ_y(x₁,y₁)分别为目标位置对x和y偏振光所需满足的相位突变，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)中得到的纳米柱长宽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，该纳米柱可以在给定的空间位置产生特定的相位值。

5)在步骤1)-4)的基础上，完成适用于正交线偏振光入射的超表面层构建。

6)构建适用于圆偏振光入射的第二类结构单元模型。如图3所示，该结构单元由二氧化硅基底和矩形硅纳米柱组成，单元周期为第一类结构单元周期的两倍，结构参数包括矩形纳米柱的长和宽。

7)计算第二类结构单元的交叉偏振转换效率。在FDTD中构建相应模型并编写交叉偏振转换效率的计算脚本，调整第二类结构单元中矩形纳米柱的长和宽，使该结构单元在透镜工作波长下有较高的透射率和交叉偏振转换效率，如图7所示，构建透镜第二类结构单元库。

8)确定第二类结构单元的放置位置。适用于聚焦圆偏振光的第二类结构单元采用空间复用、交错分布的方式放置，如图4所示，根据这一原则逐个确定第二类结构单元所需放置的位置。

9)根据步骤8)中所得第二类结构单元的放置位置，计算适用于圆偏振光入射的超表面层所需的目标相位。对圆偏振光，采用在轴方式聚焦，预设目标相位符合在轴抛物线分布，可由下式计算得出：

上式中，λ为透镜工作波长，f₂为透镜聚焦圆偏振光的焦距，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。

10)第二类结构单元采用P-B几何相位对入射圆偏振光进行相位调控，结构单元转角与其可产生的相位满足如下关系式：

上式中，φ为对应转角可产生的相位，α为结构单元转角，±由入射圆偏光的旋向决定。

11)构建第二类结构单元目标位置与对应转角的映射关系，根据步骤9)中得到的目标相位和步骤10)中的相位转角关系，计算出目标位置对应的矩形纳米柱转角。

12)在步骤6)-11)的基础上，完成适用于圆偏振光入射的超表面层构建。

13)利用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焦点的位置、个数和偏振特性发生了变化，但焦面始终未发生变化。

本发明的多功能超构透镜可在单波长下实现三偏振态调控、共面变焦，克服现有多功能超构透镜只能被双偏振态调控且调控后焦平面发生变化的问题。

本发明优选提供在1050nm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基于空间复用的多偏振态控制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)

1.一种基于空间复用的多偏振态多功能超构透镜，其特征在于，包括基底层和置于所述基底层上的第一类结构单元和第二类结构单元，其中，所述第一类结构单元为长度和宽度不同的矩形纳米柱，所述第二类结构单元为尺寸相同、转角不同的矩形纳米柱，其中，所述第一类结构单元和第二类结构单元在所述基底层上按空间复用原则交错排列，对应满足不同偏振态入射光的预设相位，分别使正交线偏振光和圆偏振光共焦面离轴和在轴聚焦，其中，所述第一类结构单元和所述第二类结构单元分别通过传输相位和几何相位实现对正交线偏振光和圆偏振光的调控。

2.如权利要求1所述的多偏振态多功能超构透镜，其特征在于，所述基底层为二氧化硅基底层，所述第一类结构单元和所述第二类结构单元为硅纳米结构单元。

3.如权利要求1或2所述的多偏振态多功能超构透镜，其特征在于，所述第二类结构单元的单元周期为所述第一类结构单元周期的两倍。

4.一种基于空间复用的多偏振态多功能超构透镜的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)分别构建适用于正交线偏振入射光和圆偏振入射光的第一类结构单元库和第二类结构单元库；其中，所述第一类结构单元为长度和宽度不同的矩形纳米柱，设定的结构参数为矩形的长和宽，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；其中，所述第二类结构单元为由尺寸相同、转角不同的矩形纳米柱，设定的结构参数为矩形的长和宽，以高透射率和高交叉偏振转换效率为评判标准，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正交线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圆偏振光入射的超表面层。

5.如权利要求4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方向保持相同的参数。

6.如权利要求4至5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，分别扫描计算x和y偏振光入射下，不同尺寸参数的结构单元对应的透射率和相位值；根据扫描结果，以高透射率和[0,2π]全相位覆盖为评判标准，确定第一类结构单元最合适的参数组合，构建所述第一类结构单元库。

7.如权利要求4至6任一项所述的制作方法，其特征在于，步骤2)中，对正交线偏振光，采用离轴对称的方式聚焦；根据预设离轴抛物线相位分布函数分别得到适用于x和y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结构单元参数的映射，进而构建目标位置与结构单元尺寸的映射关系，完成适用于正交线偏振光入射的超表面层的构建。

8.如权利要求7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正交线偏振光入射的超表面层所需的目标相位，由下式计算：

其中，φ_x(x₁,y₁)和φ_y(x₁,y₁)分别为目标位置对x和y偏振光所需满足的相位突变，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。

9.如权利要求4至8任一项所述的制作方法，其特征在于，步骤1)中，计算第二类结构单元的交叉偏振转换效率，其中，在FDTD中构建相应模型并编写交叉偏振转换效率的计算脚本，调整第二类结构单元中矩形纳米柱的长和宽，使第二类结构单元在透镜工作波长下有设定的高透射率和交叉偏振转换效率。

10.如权利要求4至9任一项所述的制作方法，其特征在于，步骤3)中，对圆偏振光，采用在轴的方式聚焦，并根据空间复用原则交错排布的方式，确定第二类结构单元的放置位置，然后根据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P-B几何相位关系完成目标相位到结构单元转角的映射，进而构建目标位置与结构单元转角的映射关系，完成适用于圆偏振光入射的超表面层的构建；

优选地，具体包括：

根据第二类结构单元的放置位置，计算适用于圆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，f₂为透镜聚焦圆偏振光的焦距，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；

第二类结构单元采用P-B几何相位对入射圆偏振光进行相位调控，结构单元转角与其可产生的相位满足如下关系式：

其中，φ为对应转角可产生的相位，α为结构单元转角，±由入射圆偏光的旋向决定；

构建第二类结构单元的目标位置与对应转角的映射关系，根据目标相位和相位转角关系，计算出目标位置对应的矩形纳米柱转角。

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