CN114236817B

CN114236817B - 一种基于涡旋光束轨道角动量的多焦点超表面的设计方法

Info

Publication number: CN114236817B
Application number: CN202111587509.7A
Authority: CN
Inventors: 李俊杰; 顾长志; 郑睿瑄; 耿广州; 杜硕; 潘如豪; 金爱子
Original assignee: Institute of Physics of CAS
Current assignee: Institute of Physics of CAS
Priority date: 2021-12-23
Filing date: 2021-12-23
Publication date: 2022-12-06
Anticipated expiration: 2041-12-23
Also published as: CN114236817A

Abstract

提供了一种基于涡旋光束轨道角动量的多焦点超表面的设计方法及成像器件。根据一实施例，该设计方法包括如下步骤：对圆偏振光束透过纳米结构单元后的转极化效率进行模拟；设定目标工作波长，确定纳米结构单元的几何结构尺寸，其中，所述纳米结构单元对在所述目标工作波长的圆偏振光束的转极化效率大于预定值；以及对纳米结构单元沿半径方向进行周期性排布，结合在每个位置上的纳米结构单元绕自身中心旋转实现的附加几何相位，使得携带轨道角动量的圆偏振涡旋光束在不同空间位置实现聚焦。本发明的方法可实现入射光在不同空间位置处的聚焦，从而弥补了传统光学成像系统中依赖机械位移控制透镜位置变化实现变焦的弊端。

Description

一种基于涡旋光束轨道角动量的多焦点超表面的设计方法

技术领域

本申请涉及微纳米技术领域，具体地，涉及一种利用轨道角动量实现多焦点超表面的设计方法及根据该设计方法获得的三维集成多焦点或变焦超表面器件。

背景技术

传统宏观光学聚焦系统，需要通过透镜组之间的配合，依赖于每个透镜整体的表面几何曲率实现对光束的偏折调制，如聚焦、偏振选择、相位调控或色散复合光等功能。超表面是近年来研究人员发展出一种新型光学材料，其是指有周期性或非周期性的亚波长单元结构按一定排布方式构成具有调控电磁波能力的人工结构材料。研究结果表明，人工设计的特定亚波长微纳尺度的结构可以实现对入射电磁波的振幅、相位以及偏振模式等电磁波特性的任意调控。此外，超表面具有体积小、集成密度高、可以实现非传统光学系统功能等优势，是弥补和补充传统光学设计应用的有力手段。

特别地，近年来对于光学信息参量的编码技术得到了广泛的发展，实现了一系列诸如异常折射、偏振分辨、全息成像和多通道复用的功能。特别是最近对于光自身的本征携带的轨道角动量信息得到了越来越高的关注，由于其每个轨道角动量对光场的描述可以保证不同模式之间的完全正交关系，保证了信息加密在轨道角动量中可以极大的提高通道信息储存容量的同时降低不同通道之间的串扰问题，实现超强的多通道信息携带能力。但是，传统的光学成像系统受制于原理无法实现携带角动量涡旋光的调控，特别是实现多通道中特定轨道角动量的解码。同时，目前基于超表面和轨道角动量结合的研究实现的功能大多都是图案成像，这极大的限制了这种有力调控方式的应用空间和功能。对于光学中重要的变焦功能，目前超表面的设计方法有限，而且还没有利用光场中携带的轨道角动量实现变焦的设计方法。

发明内容

鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于涡旋光束轨道角动量实现多焦点聚焦超表面的设计方法以克服上述问题或者至少部分地解决上述问题。另外，通过本发明的方法可方便快捷地构建一种多焦点成像器件。

本发明的一方面提供了一种基于涡旋光束轨道角动量的多焦点超表面的设计方法，该方法包括以下步骤：

步骤S1、对圆偏振光束透过纳米结构单元后的转极化效率进行模拟；

步骤S2、设定目标工作波长，确定纳米结构单元的几何结构尺寸，其中，所述纳米结构单元对在所述目标工作波长的圆偏振光束的转极化效率大于预定值；以及

步骤S3、对纳米结构单元沿半径方向进行周期性排布，结合在每个位置上的纳米结构单元绕自身中心旋转实现的附加几何相位，使得携带轨道角动量的圆偏振涡旋光束在不同空间位置实现聚焦。

在一些示例中，所述设计方法还包括：利用所述纳米结构单元对称性破缺的几何结构绕自身中心旋转实现所述附加几何相位，并确认该附加的几何相位和旋转角度的关系。

在一些示例中，所述纳米结构单元的对称性破缺的几何结构为纳米鳍结构、三角柱、棱台等结构。

在一些示例中，所述的纳米结构单元由氧化钛、氧化铪、氧化硅、硅、金、银等单一材料构成，或者由选自上述材料中的多种材料进行多层复合而构成。

在一些示例中，在所述步骤S1中，所述模拟包括但不限于时域有限差分法、有限元法、矩阵法或有限积分法。

在一些示例中，在所述步骤S2中，所述目标工作波长为可见光波段、近红外波段或中红外波段为主，也可根据需要选择其他波段；例如，结果预定值可为80％。

在一些示例中，在所述步骤S3中，所述携带轨道角动量的圆偏振涡旋光束通过利用螺旋相位板调制得到。

在一些示例中，在所述步骤S3中，所述沿半径方向周期性的排布，使得纳米结构单元在不同半径位置上提供对入射的涡旋光不同的相位调制，该调制的相位满足设计公式。

在一些示例中，所述周期性排布的结构具有选择入射圆偏振涡旋光所携带角动量的能力，可以实现对特定轨道角动量的涡旋光束的选择解码，从而在空间位置中的不同焦深的聚焦。无轨道角动量的光入射时给出射光附加设计中包含的轨道角动量相位。

在一些示例中，所述周期性排布的结构通过调控纳米结构单元的旋转角实现对出射光的几何相位在360°范围内进行相位调制。

本发明的另一方面提供了一种成像元件的设计方案，其包括多焦点超表面结构，其中，所述超表面可以是根据前面描述的设计思路而获得的。

本发明基于涡旋光束轨道角动量提供了一种多焦点超表面或变焦超表面的设计方法，通过对携带不同角动量的入射涡旋光场相位的调控，实现了入射光在不同空间位置处的聚焦，从而弥补了传统光学成像系统中依赖机械位移控制透镜位置变化实现变焦的弊端，为实现光学系统微小化提供了可能。

相比于现有技术，本发明至少还具有以下技术优势：1)利用入射光场携带的轨道角动量信息，可以对不同角动量通道实现单独的调控从而实现在不同空间位置处的聚焦，即可以通过改变入射光信号实现不同空间位置处的聚焦；2)利用材料的光学参数实现对出射光偏振特性和相位的调制，并且基于单元结构的自身转角来附加几何相位，实现对相位在整个360°范围内的调制；3)本发明中提供的设计方案仅仅利用入射光信号中轨道角动量的改变就可以实现空间上变焦的能力，大大的提升了透镜的性能并压缩了成像系统的体积，加工获得的成像器件可为实现光学系统微小化提供可能。并且基于此思路，可以设计更多依赖于轨道角动量实现主动调控功能的光学器件。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的设计方法，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1示出了根据本申请一示例性实施例的多焦点超表面设计方法的流程示意图。

图2是根据本申请一实施例的基于有限时域差分方法模拟的转极化效率的效率谱线。

图3是根据本申请一实施例的多焦点超表面所选择的纳米单元结构示意图，以及其绕自身旋转方法和在平面中排布的示意图。

图4是根据本申请一实施例的多焦点超表面的纳米单元结构绕中心旋转实现的几何相位调制关系图。

图5是根据本申请一实施例的多焦点超表面的周期排布满足的排布聚焦公式和排布示意图。

图6是根据本申请一实施例的多焦点超表面的选择携带不同特定轨道角动量的圆偏振光的聚焦模拟效果图。

具体实施方式

根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。

显然，参照附图所述描述的实施例仅仅是一部分的示例性实施例，应当理解，也同样可以以其他形式实现本申请而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本申请方法和原理，并且能够将本申请方法的范围完整的传达给本领域的技术人员。除非另有限定，本文使用的科技术语具有与本领域技术人员通常理解的含义。

在阐述发明的技术方案之前，定义本文提到术语的含义如下：

术语“转极化”是指：出射光偏振方式与入射光偏振方式相反的光偏振模式。

术语“左旋涡旋光”是指：携带轨道角动量信息的左旋圆偏振光。

术语“几何相位”是指：由于结构自身旋转带来的附加相位调制的相位信息，其也可称为Pancharatnam Berry相位。

本发明的一个目的在于对携带轨道角动量的涡旋光束实现多焦点聚焦。图1示出了本申请一实施例的多焦点超表面设计方法的流程示意图。

如图1所示，设计方法可始于步骤S1，对圆偏振光束透过纳米结构单元后的转极化效率进行模拟。

本申请中的超表面例如可由纳米结构单元构成，通过亚波长单元结构构造的超薄二维阵列平面结构，可以任意调控光波的相位、振幅与偏振。

在一实施例中，超表面可包括基底和沉积在其上的纳米结构单元的阵列，其中，基底例如为透明的石英(SiO₂)基底，纳米结构可由氧化钛、氧化铪、氧化硅、硅(包括单晶硅和多晶硅)、金、银等单一材料构成，或者由选自上述材料中的多种材料进行复合而构成，例如可通过在基底上沉积上述材料中的两种而形成复合层结构。纳米结构单元一面与基底相连而另一面远离基底的表面。

为了实现本发明的目的，首先需要确定纳米结构单元的尺寸，为此，可例如针对具有目标工作波长的圆偏振光束透过具有特定尺寸的纳米结构单元的转极化效率进行模拟，其中，所述转极化效率是指一种偏振方向的光束入射经过纳米结构单元后，透射产生另一种偏振方向的光束的比例，例如，可通过模拟左旋圆偏振光入射经过纳米结构单元出射右旋偏振光的比例，或者模拟右旋偏振光入射经过纳米结构出射左旋偏振光的比例。

在一实施例中，对转极化效率的模拟可基于时域有限差分法(FDTD)、有限元法、矩阵法或有限积分法进行。例如，可针对工作波长，采用仿真软件对纳米结构单元参数进行模拟仿真，以左旋(或右旋)圆偏振光束垂直入射工作面、以透射的右旋(或者左旋)圆偏振光的转化效率作为优化对象。通过扫描纳米结构单元的长度、宽度和高度等尺寸参数进行构型和仿真模拟来确定纳米结构的尺寸与转极化效率的对应关系。

在仿真模拟的基础上，可以进行步骤S2，设定目标工作波长，确定纳米结构单元的几何结构尺寸，其中，所述纳米结构单元对在所述目标工作波长的圆偏振光束的转极化效率大于预定值。

发明人发现，只有在纳米结构对工作波长的偏振光束的转极化效率达到一定水平才能实现本发明的多焦点聚焦的效果，在转极化效率低于上述水平时，并不能有效地在不同焦深位置实现多焦点的光强聚焦。故预定值越高越好，预定值越高可以实现更好的聚焦效果，但是一定程度上会增加选择尺寸的难度，也会限制工作波段的宽度。

例如，在实际应用中，需要根据透镜的工作波长来选择合适的介质(纳米结构)材料，挑选结构尺寸来实现预定值以上的转极化效率，例如，针对工作波长为可见光波段，介质材料可选用单晶硅、氧化钛、金、银等，在工作波长为红外波段，介质材料可选用非晶硅、氧化铪等。或者，可以在设计中控制纳米结构单元的形貌和尺寸，再根据需求选择相应性能的材料，这些参数决定了超表面的工作波段。

在一实施例中，针对于特定的工作波长，可确定合适的转极化效率的阈值，例如，本申请中所述目标工作波长为可见光波段，所述预定值可为70％以上，优选地，该预定值在80％以上，更理想的可以为85％以上甚至更高。

图2是根据本申请一实施例的基于有限时域差分方法模拟的转极化效率的效率谱线，如图所示，纳米结构针对不同波长的透射光的转极化效率并不相同，通过曲线图，可以确定出特定纳米结构单元可适用的入射偏振光的波长范围。例如，针对可见光波段(波长为532nm)的透射光，本申请中特定尺寸纳米结构单元的转极化效率为84％。

在确定了纳米结构单元的尺寸形貌后，需要确定出其在超表面中的排布方式，为此，可进行步骤S3，对纳米结构单元沿半径方向进行周期性排布，结合在每个位置上的纳米结构单元绕自身中心旋转实现的附加几何相位，使得携带轨道角动量的圆偏振涡旋光束在不同空间位置实现聚焦。

本发明中，半径方向指的是超表面中心(例如，形成的圆形透镜中心)向外延伸的径向方向，相应地，半径指的是超表面中心到各纳米结构单元或超表面边缘的距离。

在一实施例中，可在半径方向上对纳米结构单元进行周期性排布，利用材料的光学参数实现对出射光偏振特性和相位的调制来实现聚焦的功能。例如，超表面由若干环状排布的纳米结构单元组成，即纳米结构单元排布形成若干圆环状，圆形的周期排布中径向周期可选择为波长尺度或亚波长尺度，例如，排布的径向周期可为200-450nm，可以根据纳米结构的尺寸和预设功能进行调整。

在一实施例中，相位的额外调制可通过对在每个位置上的纳米结构单元绕自身中心旋转实现的透射转极化的附加几何相位来实现，为此，在步骤S3之前，可先利用所述纳米结构单元对称性破缺的几何结构绕自身中心旋转实现所述附加几何相位，并确认该附加的几何相位和旋转角度的关系。

例如，纳米结构单元的对称性破缺的几何结构可为纳米鳍结构、三角柱、棱台等结构。对称性破缺可以理解为原来具有较高对称性的系统，出现不对称因素，其对称程度自发降低的现象。对纳米鳍结构而言，如图3所示，在基底上形成有长方体立柱结构，所述纳米鳍的结构尺寸长L、宽W和高H均为亚波长或波长级。本申请中，对称性破缺的几何结构选择为C4对称性纳米鳍结构，其长度L为178nm，宽度W为84nm，高度H为900nm。

图4是根据本申请一实施例的纳米单元结构绕中心旋转实现的几何相位调制关系图，其中，横坐标为纳米结构绕自身中心旋转的角度θ，纵坐标为经调制的出射光相位，可以确定，对于纳米鳍结构而言，附加的几何相位(Pancharatnam Berry)为旋转角度的两倍。

可以理解的是，除了纳米鳍结构，本发明可以选择其他结构的纳米结构单元，例如三角柱、棱台等其它结构，其同样可通过绕自身中心的旋转来实现对入射光的相位的调制，需要预先确定出附加的几何相位与旋转角度的关系。

为了实现多焦点聚焦，本发明可通过使入射光束为携带轨道角动量信息的涡旋光束，并通过对不同角动量通道进行单独调控来实现在不同空间位置处的聚焦，即通过改变入射光信号实现不同空间位置处的聚焦。

在一实施例中，所述携带轨道角动量的圆偏振涡旋光束通过利用螺旋相位板调制得到。螺旋相位板也称为涡旋相位片，是一种相位型衍射元件，其光学厚度与方位角的旋转成比例，可以实现当入射光束通过螺旋相位板时，螺旋相位板表面结构使透射光束光程的改变量不同，即透射光束相位的改变量也不同来产生涡旋光。

为了实现多焦点聚焦，可通过对纳米结构单元沿半径方向周期性的排布使得纳米结构单元在不同半径位置上提供对入射的涡旋光不同的相位调制，并使得该调制的相位满足设计公式。

图5为根据本申请一实施例的多焦点超表面的周期排布满足的排布聚焦公式和排布示意图，如图5所示，为了实现多焦点聚焦，超表面上的纳米结构单元的位置坐标和所需提供的相位满足方程：

其中，λ为入射光波长，f为设计的焦距，r为径向半径，l为轨道角动量(OAM)的数值，

为纳米结构单元所处位置(x,y)的方位角(如图3所示出)。

具体地，例如针对携带轨道角动量为-2、-1、1、2的涡旋光束，可以相应地确定出各自的聚焦设计公式：

其中，f_-2、f_-1、f₁、f₂分别为角动量为-2、-1、1、2的入射光的设计焦距，r为相应圈层的径向半径，n为整数，p为径向周期。

通过对纳米鳍结构以自身为中心进行转动而附加的几何相位来实现上述相位从而满足各位置坐标处的所需相位，每点的相位在满足聚焦的同时还包含用于解码不同轨道角动量信息的螺旋相位板相位，通过对不同角动量通道进行单独的调控从而实现在不同空间位置处的聚焦。图5中示意了中心部分纳米鳍排布的方式和相应圈层上的相位变化规律。

在一实施例中，所述周期性排布的结构通过调控纳米结构单元的旋转角实现对出射光的几何相位在360°范围内进行相位调制，从而实现仅利用单一的结构对出射光的任何所需相位的调制。

需要指出的是，周期排布中的图形可以都为同一图形，优选圆形排布，也可以是不同的图形，或者图形的不同尺寸，只要对每个位置的转动的附加相位满足利用轨道角动量聚焦即可。

可以看出，本申请对纳米结构单元的周期排布的结构对于特定波长的入射光具有高效转极化的能力，可以改变出射光的偏振特性，同时，具有选择入射圆偏振涡旋光携带角动量的能力，可以调控出射光的相位，从而可以实现对特定轨道角动量的涡旋光束在空间位置中的不同焦深的聚焦。

本示例展示的是532nm左旋偏振光携带角动量为-2、-1、1、2的涡旋光入射超表面后透射形成的四个空间位置焦深的光强聚焦模拟效果。如图所示，涡旋光束在15.4μm、20.2μm、24.9μm、29.7μm处进行聚焦。即，该实施例通过对携带不同角动量入射涡旋光场相位的精准调控，实现了对四种角动量的涡旋光入射下在不同空间位置处的聚焦，这弥补了传统光学成像系统中依赖机械位移控制透镜位置变化实现变焦的弊端，从而可压缩成像系统的体积。

可以理解的是，图6只描述了特定波长的光束和聚焦位置，结合前面描述可知，本发明实施例提供的设计方法中的超表面的单元结构、工作波段、聚焦位置和解码的轨道角动量通道都可以自主设计调控。例如，在设计中控制纳米结构单元的形貌和尺寸，再根据需求选择相应性能的介质材料，这些决定了超表面的工作波段。其次，利用纳米结构的自身转角和相位调制能力，结合实现聚焦所满足的相位关系，可以设计所需聚焦位置和解码特定轨道角动量的能力。

基于上述描述涡旋光轨道角动量实现不同空间位置聚焦的技术，可以制备出具有特定排布超表面结构的成像元件，其弥补了传统光学成像系统复杂的透镜组合系统和为了改变焦距需要透镜组之间相对位置的改变导致系统体积过大的问题，仅仅利用入射光信号中轨道角动量的改变就可以实现空间上变焦的能力，大大的提升了透镜的性能并压缩了成像系统的体积，提升了相关器件的功能性。

下面结合一具体示例及附图对本发明的多焦点超表面设计方法及其应用作进一步说明。

本实施例提供一种基于涡旋光束轨道角动量的多焦点超表面的设计方法，其包括以下步骤：

步骤S1、利用时域有限差分法模拟圆偏振光束透过纳米结构后的转极化效率。

在此示例中，纳米结构是由氧化钛材料构成的鳍结构。

步骤S2、选择在特定工作波长下透射光的转极化效率大于80％的纳米结构几何结构尺寸。

在此示例中，选择的工作波长是可见光波段，具体为在532nm波长附近的波段；基于模拟，选择了对称性破缺为C4对称性的高深宽比纳米鳍结构，其长度为L＝178nm，宽度为W＝84nm，高度H＝为900nm。本示例中的纳米结构单元在532nm处的转极化效率在84％，达到了大于80％的效率，如图2所示。

步骤S3、利用纳米结构单元对称性破缺的几何结构绕自身中心旋转实现附加的几何(Pancharatnam Berry)相位，确认透射转极化相位和旋转角度的关系。

在此示例中，纳米结构绕自身旋转角度为θ，如图3所示，通过实验确认附加的几何相位与旋转角度保持二倍的关系，如图4所示。基于这种关系，可以在后续中对纳米结构进行旋转来实现需要的相位。

步骤S4、对纳米结构单元沿半径方向进行周期性排布，结合在每个位置上的纳米结构单元绕自身中心旋转实现的附加几何相位，使得携带轨道角动量的圆偏振涡旋光束在不同空间位置实现聚焦。

在此示例中，圆形的周期排布中选取径向周期为p＝400nm，切向周期为300nm，圆形排布的超表面直径为50um。例如，可通过前面描述的聚焦设计公式计算出各位置处的纳米结构单元在对应位置处所需的相位变化，之后，基于步骤S3中确认的附加相位与旋转角度的关系，纳米鳍在排布中会以自身为转角进行转动来附加几何相位来满足该坐标位置的所需相位，每点的相位在满足聚焦的同时还包含用于解码不同轨道角动量信息的螺旋相位板相位。

本示例中选择模拟的为532nm左旋偏振光携带轨道角动量为-2、-1、1、2的涡旋光入射超表面后透射形成的四个空间位置焦深的光强聚焦模拟结果，特定解轨道角动量和多焦点的聚焦能力，如图6所示。本实施例利用材料的光学参数实现对光的偏振模式和相位的调控，并且利用结构的自身旋转附加几何相位实现对出射光相位在整个2π范围内的调控，同时利用入射光携带的轨道角动量信息实现对不同圈层排布相位的信息解码，最终实现利用改变入射涡旋光的变化来实现在空间不同位置处的聚焦功能。

综上，本发明实施例提供的一种基于涡旋光束轨道角动量实现多焦点超表面的设计所采用的设计方法简单，且设计结构和可选择的材料的可以根据工作范围的需要进行修改满足实际的需要，在未来的超表面器件设计中将提供更丰富的功能性。

本文中，诸如“包括”、“包含”、“具有”等等的词语是开放性词汇，指“包括但不限于”，且可与其互换使用。这里所使用的词汇“或”和“和”指词汇“和/或”，且可与其互换使用，除非上下文明确指示不是如此。这里所使用的词汇“诸如”指词组“诸如但不限于”，且可与其互换使用。

提供所公开的方面的以上描述以使本领域的任何技术人员能够做出或者使用本申请。对这些方面的各种修改对于本领域技术人员而言是非常显而易见的，并且在此定义的一般原理可以应用于其他方面而不脱离本申请的范围。对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对以上描述的实施例进行某些变型、修改、替换和改变。因此，本申请不意图被限制到在此示出的方面，而是按照与在此公开的原理和新颖的特征一致的最宽范围。

Claims

1.一种基于涡旋光束轨道角动量的多焦点超表面的设计方法，包括：

步骤S3、对纳米结构单元沿半径方向进行周期性排布，结合在每个位置上的纳米结构单元绕自身中心旋转实现的附加几何相位，使得携带轨道角动量的圆偏振涡旋光束在不同空间位置实现聚焦，

其中，在所述步骤S3中，所述沿半径方向周期性排布，使得纳米结构单元在不同半径位置上提供对入射的涡旋光独立轨道角动量通道的相位调制，该调制的相位满足设计公式，所述设计公式为：

其中，λ为入射光波长，f为设计的焦距，r为径向半径，l为所述涡旋光束的轨道角动量的数值，

为纳米结构单元所处位置(x,y)的方位角。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括：

利用所述纳米结构单元对称性破缺的几何结构绕自身中心旋转实现所述附加几何相位，并确认该附加的几何相位和旋转角度的关系。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述纳米结构单元的对称性破缺的几何结构为纳米鳍结构、三角柱、棱台结构。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述的纳米结构单元由氧化钛、氧化铪、氧化硅、硅、金、银单一材料构成，或者由选自上述材料中的多种材料进行多层复合而构成。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述步骤S1中，所述模拟包括时域有限差分法、有限元法、矩阵法或有限积分法。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述步骤S2中，所述目标工作波长为可见光波段、近红外波段或中红外波段为主，所述预定值为80％。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述步骤S3中，所述携带轨道角动量的圆偏振涡旋光束通过利用螺旋相位板调制得到。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述周期性排布的结构通过调控纳米结构单元的旋转角实现对出射光的几何相位在360°范围内进行相位调制。

9.一种成像元件，其特征在于，所述成像元件包括可以实现多焦点超表面结构的对称性破缺结构，所述超表面是根据权利要求1至8中任一项所述的设计方法而获得的。