CN114397754B - 一种高数值孔径超构透镜的设计方法及高数值孔径超构透镜 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光学透镜技术领域，尤其涉及一种高数值孔径超构透镜的设计方法及高数值孔径超构透镜，超构透镜中设置了高偏折效率偏振不敏感的超构光栅单元，设计时，首先对单个超构光栅单元的各个自由度下的几何参数进行模拟扫描，然后将通过计算不同参数下超构光栅单元的偏折效率，得到偏振不敏感条件下偏折效率最大的几何参数组合，随后再将叠加后的超构光栅单元按照满足目标波长对应的相位曲线规律进行排列，从而获得高数值孔径超构透镜，可以实现偏振不敏感的高聚焦效率，高光斑质量的聚焦。本发明旨在解决传统超构透镜无法实现高数值孔径下高聚焦效率、高光斑质量、偏振不敏感聚焦，且无法进行大面积实验制备的问题。

Description

一种高数值孔径超构透镜的设计方法及高数值孔径超构透镜

技术领域

本发明涉及光学透镜技术领域，尤其涉及一种高数值孔径超构透镜的设计方法及高数值孔径超构透镜。

背景技术

超构表面是处于亚波长级别厚度的人工制作材料，主要通过亚波长周期结构与电磁场的共振来对电磁波进行调制。它们的特性为基于利用亚波长级介质或金属纳米谐振器对光的相位和偏振的控制能力。相应地，超构表面能够改变透射或反射光束的各个相位、偏振、强度等性质，实现偏转、逆向反射、偏振转换、聚焦和光束整形等各种非常光学现象。用于光束聚焦的超构表面，通常称之为超构透镜。用于光束偏折的，通过整体设计，其周期略大于波长的超构表面，通常称之为超构光栅。而传统相位匹配型超构透镜，其使用亚波长纳米相位天线来实现对理想透镜标准相位图的匹配，以此实现透镜的聚焦功能。

上述现有技术的缺点在于：

1.传统相位匹配型超构透镜，在设计高数值孔径的超透镜时，有聚焦效率低，光斑质量差的缺点；

2.部分采用几何相位单元和复杂非对称形状相位单元的超构透镜还会有偏振敏感性，即只能用于聚焦某些特定偏振光，无法应用于所有偏振光的聚焦。

而造成上述缺点的具体原因在于：

1.高数值孔径透镜，大部分透镜区域需要实现对入射光的大角度偏折，相位变化的速度非常快，相位的变化梯度十分陡峭。用相位匹配的形式，受限于相位单元本身的大小，相位单元在该梯度下相位匹配的采样率较低，无法匹配陡峭的相位梯度，导致入射光的偏折效率低，部分光被反射、垂直传播、偏折至其它角度形成杂散光，造成超构透镜整体聚焦效率低，光斑质量差；

2.采用几何相位设计或复杂非对称形状相位单元的相位匹配超透镜，在模拟上可以提高大角度的偏折效率。但会有偏振依赖的特性，几何相位超构透镜只能聚焦圆偏光，非对称形状相位单元的超透镜也无法实现对线偏振光聚焦。在实验制备上二者的特征尺寸都会比较小，难以大面积稳定制备，制备难度较大。

发明内容

为了克服上述现有技术中至少一种缺陷，本发明提供一种高数值孔径超构透镜的设计方法，旨在解决传统超构透镜无法实现高数值孔径下高聚焦效率、高光斑质量、偏振不敏感聚焦，且无法进行大面积实验制备的问题。

本发明一种高数值孔径超构透镜的设计方法，超构透镜中设置了高偏折效率偏振不敏感的超构光栅单元，还包括以下步骤：

S1、确定超构光栅单元的初始结构及其总自由度，并设定所需入射光波段，根据所需的偏折角度，设定超构光栅的衍射周期长度，然后对各个自由度几何参数的范围和扫描间隔进行设定，以建立超构光栅数值模拟模型；

S2、分别以相对超构光栅衍射周期垂直的线偏振光和相对超构光栅衍射周期平行的线偏振光入射超构光栅。在设定两种偏振光入射的条件下，利用数值模拟法对超构光栅的各个自由度的几何参数进行模拟扫描，以获得单个超构光栅单元在各种几何参数组合下的偏折效率，在二种偏振下偏折效率的差小于设定阈值的超构光栅几何参数当中选取偏折效率最高的超构光栅几何参数为偏振不敏感的设定偏折角度下最佳的超构光栅几何参数组合，以逐角度对光栅参数进行优化；

S3、根据所需的偏折角度，改变超构光栅长轴方向的衍射周期长度，重复步骤S1当中的模型构建方法以及结合S2的优化扫描方式，以合适的角度间隔获得设计超构透镜数值孔径所需的所有偏折角度下的最佳偏振不敏感超构光栅几何参数组合，并将所有数据放入超构光栅参数数据库中，以建立偏振不敏感条件下超构光栅数据库；

S4、将超构透镜以超构光栅组成的形式在径向上划分网格，超构光栅在超透镜中按照极坐标形式排列，在径向方向上超构光栅的排列坐标遵循相位曲线的形式，以将设计超构透镜区域按理想相位曲线进行网格划分；

S5、根据步骤S4中的超构透镜径向上划分的网格，从步骤S3的数据库中选定对应偏折角度的超构光栅单元进行组合，以使每个超构光栅单元与超透镜的相位曲线对应的偏折角度相匹配，在超构透镜的角向网格划分上，按照超构光栅优化的横向周期均分每个同偏折角度的环带，让每个超构光栅可以精确的匹配到网格中，以将超构光栅单元按角度匹配进行网格填充。

根据本发明的一种高数值孔径超构透镜的设计方法，在步骤S4中，在超构透镜径向上，按照相位曲线相位变化2π对应的超构透镜径向长度进行网格划分，每个网格区间都通过区间长度计算得到该区间的相位梯度及该相位梯度对应的入射光束偏折角度。

根据本发明的一种高数值孔径超构透镜的设计方法，在步骤S2中，利用数值模拟方法对单个超构光栅单元进行模拟扫描，利用数值模拟方法对单个超构光栅单元进行模拟计算，然后通过对模拟计算所得的超构光栅远场电磁场数据结果进行数值分析获得单个超构光栅单元对相应入射光波段和对应偏折角度下的偏折效率。根据本发明的一种高数值孔径超构透镜的设计方法，所述数值模拟法包括但不限于时域有限差分法、有限元差分法、耦合波分析法。

根据本发明的一种高数值孔径超构透镜的设计方法，步骤S4中，在将超构透镜以超构光栅组成的形式在径向上划分网格时，对超构透镜按照放置超构光栅的需要，将透镜径向分段，以使每段恰好放下一种超构光栅并对应该段所需的偏折角度，形成多个圆环形的等偏折角度的环带。

另外，利用本发明提供的一种高数值孔径超构透镜的设计方法，本发明还提供一种高数值孔径超构透镜，包括衬底和设于衬底一侧进行精确排列的超构光栅单元，所述超构光栅单元为包括且不限于双柱结构、多柱结构、随机形状结构等，所述超构光栅单元的几何参数均为对应偏折角度下，偏折效率最高的偏振不敏感的几何参数组合，且精确排列后的超构光栅单元按照相位曲线规律分布。

根据本发明的一种高数值孔径超构透镜，所述超构光栅单元采用光学晶体、光学硅胶、光学玻璃、光学薄膜、光学塑料、金、银、铝等光学金属、硅、Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体等光学非金属材料中任意一种或多种的光学介质材料制备而成。

根据本发明的一种高数值孔径超构透镜，所述光学晶体包括但不限于光学单晶、光学多晶、光学非晶。

根据本发明的一种高数值孔径超构透镜，所述衬底为包括但不限于石英衬底金、银、铝等光学金属、硅、Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体等光学非金属材料、光学玻璃、光学薄膜、光学塑料、光学硅胶及其他光学介质衬底材料中任意一种或多种的光学介质材料制备而成。

根据本发明的一种高数值孔径超构透镜，所述超构光栅单元上设有图形化排列的微纳结构。

根据本发明的一种高数值孔径超构透镜，可通过但不限于电子束刻蚀、紫外光刻、激光直写等方法中的一种或多种对超构光栅单元进行微纳结构图形化排列，并通过干法刻蚀或湿法刻蚀在光学介质材料晶片上刻蚀出所需的微纳结构。本发明的一种高数值孔径超构透镜的设计方法及高数值孔径超构透镜，通过对形成高数值孔径超构透镜的超构光栅单元进行参数设计、精准排列，以使高数值孔径超构透镜能够实现高聚焦效率、高光斑质量的聚焦，并且有助于高数值孔径超构透镜的面积能增大到厘米级别或以上，即首先对单个超构光栅单元的各个自由度几何参数进行模拟扫描，然后将通过计算不同参数下超构光栅单元的偏折效率，得到偏振不敏感条件下偏折效率最大的几何参数组合，随后再将叠加后的超构光栅单元按照满足目标波长对应的相位曲线规律进行排列，从而获得高数值孔径超构透镜，可以实现偏振不敏感的高聚焦效率，高光斑质量的聚焦。从而可以克服传统超构透镜因大角度偏折部分偏折效率低而导致的超构透镜聚焦效率低、光斑质量差的问题，并且有助于设计制备难度较小、偏折效率较高、偏振不敏感的超构光栅单元，并以这种超构光栅单元为最小单元组成超构透镜，实现高聚焦效率、高聚焦质量、偏振不敏感的高数值孔径超构透镜，降低了高数值孔径超构透镜的制备难度，兼容大面积制备。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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是本发明的设计方法的流程图；

图2是本发明高数值孔径超构透镜中超构光栅单元的三维结构示意图；

图3是本发明高数值孔径超构透镜的三维结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

还需要说明的是，为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明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。

如图1所示，一种高数值孔径超构透镜的设计方法，超构透镜中设置了高偏折效率偏振不敏感的超构光栅单元，还包括以下步骤：

步骤S1、确定超构光栅单元的初始结构及其总自由度，并设定所需入射光波段，根据所需的偏折角度，设定超构光栅的衍射周期长度，然后对各个自由度几何参数的范围和扫描间隔进行设定，以建立超构光栅数值模拟模型。

在步骤S1当中：

超构光栅单元的自由度是指要完整描述一个超构光栅单元的几何特征，至少需要的几何参数数目。

衍射周期，是指长度是平行于光线偏折方向的光栅长度，其长度由所需偏折角度决定为波长除以偏折角度的正弦值。

步骤S2、分别以相对超构光栅衍射周期垂直的线偏振光和相对超构光栅衍射周期平行的线偏振光入射超构光栅。在设定两种偏振光入射的条件下，利用数值模拟法对超构光栅的各个自由度的几何参数进行模拟扫描，以获得单个超构光栅单元在各种几何参数组合下的偏折效率，在二种偏振下偏折效率的差小于设定阈值的超构光栅几何参数当中选取偏折效率最高的超构光栅几何参数为偏振不敏感的设定偏折角度下最佳的超构光栅几何参数组合，以逐角度对光栅参数进行优化；

在步骤S2当中：

模拟扫描，是指利用数值模拟方法，如时域有限差分法、有限元差分法、耦合波分析法等对单个超构光栅单元进行模拟扫描，然后对模拟扫描的结果通过数值模拟即可直接获得单个超构光栅单元对相应入射光波段和对应偏折角度下的偏折效率，具体即是通过数值模拟可得到光波的电磁场数据，具体包括强度、分量、偏振、相位、透过率等。通过对超构光栅远场电磁场数据的分析计算可以的到超构光栅单元的偏折效率；

偏折效率，是指超构光栅模拟所得电磁场数据中远场散射角谱中正一透射能级所占入射光能量的比例；

线偏振光，是指光矢量振动方向在垂直于光波前进方向的平面内限于某一固定方向的偏振光。任何偏振光都可以分解为两种垂直线偏光的叠加，优化超构光栅使其可以以近似偏折效率偏折两种垂直的线偏光，既可以实现偏振不敏感的偏折。

在此步骤中，对超构光栅单元的偏折效率优化方式避免了对超构透镜整体进行优化。故对计算机的内存和CPU的计算能力要求比较小，可以通过优化好的超构光栅单元进行大面积超构透镜的设计。增大高数值孔径超构透镜的面积至厘米级别或以上，在成像方面有着重要应用。

步骤S3、根据所需的偏折角度，改变超构光栅长轴方向的衍射周期长度，重复步骤S1当中的模型构建方法以及结合S2的优化扫描方式，以合适的角度间隔获得设计超构透镜数值孔径所需的所有偏折角度下的最佳偏振不敏感超构光栅几何参数组合，并将所有数据放入超构光栅参数数据库中，以建立偏振不敏感条件下超构光栅数据库。

在步骤S3当中：

超构光栅参数数据库，是指对应每个偏折角度下，超构光栅的最佳偏振不敏感超构光栅几何参数组合，方便后续排列组合形成超构透镜时调用。

步骤S4、将超构透镜以超构光栅组成的形式在径向上划分网格，超构光栅在超透镜中按照极坐标形式排列，在径向方向上超构光栅的排列坐标遵循相位曲线的形式，以将设计超构透镜区域按理想相位曲线进行网格划分；

在步骤S4当中：

径向划分网格，是指将超构透镜按照放置超构光栅的需要，将透镜径向分段，使每段恰好放下一种超构光栅并对应该段所需的偏折角度，形成一个个连续的圆环形的等偏折角度的环带；

相位曲线，是指形成聚焦透镜时，透镜延径向方向需要对平行入射的光附加的相位的分布曲线。

在此步骤中，超构光栅的排列方式严格按照理想高数值孔径透镜的相位曲线。超构光栅的偏折角度严格于所处位置的相位梯度匹配，保证超构透镜的光斑与矢量衍射理论计算得到的理想透镜的分布模式相符。

步骤S5、根据步骤S4中的超构透镜径向上划分的网格，从步骤S3的数据库中选定对应偏折角度的超构光栅单元进行组合，以使每个超构光栅单元与超透镜的相位曲线对应的偏折角度相匹配，在超构透镜的角向网格划分上，按照超构光栅优化的横向周期均分每个同偏折角度的环带，让每个超构光栅可以精确的匹配到网格中，以将超构光栅单元按角度匹配进行网格填充。

需要说明的是，对单个超构光栅单元进行模拟扫描的目的是能够确定不同偏折角度下，都可以得到偏折效率最高的超构光栅参数组合，以便在对超构光栅单元进行排列时取到合适的参数数据。仅需对单个超构光栅单元进行扫描，可以减小扫描次数和设计时间；同时限制最小的特征尺寸，以降低高数值孔径超构透镜的加工难度，便于生产制作，还易于制造出厘米量级面积的高数值孔径超构透镜。

高光斑质量是指模拟超构透镜聚焦光斑符合矢量衍射理论计算出的理想高数值孔径光斑模式。

矢量衍射理论，是指处理光学系统中光场分布的衍射问题时常用的一种理论,考虑到了入射光的偏振特性和空间特性对亚微米量级的聚焦光斑的影响,适用于高数值孔径透镜的光束聚焦问题，可以比较精确的反应理想情况下高数值孔径透镜的聚焦光斑分布。

在本实施例的设计方法当中，通过对形成高数值孔径超构透镜的超构光栅单元进行参数设计、精准排列，以使高数值孔径超构透镜能够实现高聚焦效率、高光斑质量的聚焦，并且有助于高数值孔径超构透镜的面积能增大到厘米级别或以上，即首先对单个超构光栅单元的各个自由度几何参数进行模拟扫描，然后将通过计算不同参数下超构光栅单元的偏折效率，得到偏振不敏感条件下偏折效率最大的几何参数组合，随后再将叠加后的超构光栅单元按照满足目标波长对应的相位曲线规律进行排列，从而获得高数值孔径超构透镜，可以实现偏振不敏感的高聚焦效率，高光斑质量的聚焦。从而可以克服传统超构透镜因大角度偏折部分偏折效率低而导致的超构透镜聚焦效率低、光斑质量差的问题，并且有助于设计制备难度较小、偏折效率较高、偏振不敏感的超构光栅单元，并以这种超构光栅单元为最小单元组成超构透镜，实现高聚焦效率、高聚焦质量、偏振不敏感的高数值孔径超构透镜，降低了高数值孔径超构透镜的制备难度，兼容大面积制备。

具体地，在步骤S4中，在超构透镜径向上，按照相位曲线相位变化2π对应的超构透镜径向长度进行网格划分，每个网格区间都通过区间长度计算得到该区间的相位梯度及该相位梯度对应的入射光束偏折角度。可以理解，将超构透镜按偏折角在径向上分成多个2π相位区域。将超构光栅的偏折效率，以一定的偏折角度间隔，逐个偏折角度进行偏折效率优化，增大超透镜各部分的偏折效率，从而可以有效增大整个超构透镜的聚焦效率。解决了传统相位匹配方式，高数值孔径超构透镜外侧大部分区域偏折效率低的问题。

具体地，在步骤S2中，利用数值模拟方法对单个超构光栅单元进行模拟计算，然后通过对模拟计算所得的超构光栅远场电磁场数据结果进行数值分析获得单个超构光栅单元对相应入射光波段和对应偏折角度下的偏折效率。

具体地，所述数值模拟法包括但不限于时域有限差分法、有限元差分法、耦合波分析法。

具体地，步骤S4中，在将超构透镜以超构光栅组成的形式在径向上划分网格时，对超构透镜按照放置超构光栅的需要，将透镜径向分段，以使每段恰好放下一种超构光栅并对应该段所需的偏折角度，形成多个圆环形的等偏折角度的环带。

另外，如图2和图3所示，利用本发明提供的一种高数值孔径超构透镜的设计方法，本实施例设计一种高数值孔径超构透镜，包括衬底和设于衬底一侧进行精确排列的超构光栅单元，超构光栅单元包括且不限于双柱结构、多柱结构、随机形状结构等，超构光栅单元的几何参数均为对应偏折角度下，偏折效率最高的偏振不敏感的几何参数组合，且精确排列后的超构光栅单元按照相位曲线规律分布。

在本实施例中，超构光栅单元对不同线偏振态的入射光作用是一致的，因此该消色差超构透镜也同时满足偏振非相关的条件，对入射光偏振态没有苛刻的要求，作用范围更广。

在本实施例中，超构光栅单元的材质还可以通过采用光学晶体、光学硅胶、光学玻璃、光学薄膜、光学塑料、金、银、铝等光学金属、硅、Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体等光学非金属材料中任意一种或多种的光学介质材料制备而成，而光学晶体包括但不限于光学单晶、光学多晶、光学非晶。

在本实施例中，超构光栅衬底的材质包括但不限于石英衬底金、银、铝等光学金属、硅、Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体等光学非金属材料、光学玻璃、光学晶体、光学硅胶、光学薄膜、光学塑料、光学硅胶及其他光学介质衬底材料中任意一种或多种的光学介质材料制备而成。

本实施例的超构光栅单元限制了柱子的高度和特征尺寸，特征尺寸较大，且为单层结构，可以通过一次光刻完成，大大减小了制备难度。

另外，超构光栅单元偏振不敏感，由其组成的超构透镜满足偏振非相关的条件，对入射光偏振态没有苛刻的要求，设计更合理。

在一个实施例当中，超构光栅单元上设有图形化排列的微纳结构。微纳结构的图形化排列方法为电子束直写、紫外光刻和激光直写中的一种或多种，即超构透镜可通过但不限于电子束刻蚀、紫外光刻、激光直写等方法进行微纳结构的图形化排列。通过干法刻蚀或湿法刻蚀在光学介质材料晶片上刻蚀出所需的微纳结构。

可以理解，通过本实施例的设计方法所设计的高数值孔径超构透镜，与现有技术的传统超构透镜相比，具有如下进一步的技术效果：

1、聚焦效率高，采用了逐角度精细优化的超构光栅结构，各处偏折效率高，保证成体超构透镜有较高的聚焦效率；

2、光斑质量好，超构光栅的排布严格按照理想超透镜的相位曲线和相位梯度进行排布，使其聚焦光斑与矢量衍射理论的光斑模式相符；

3、偏振不敏感，超构光栅进行了偏振不敏感的设计，由其组成的超构透镜可以适用于聚焦各种偏振光；

4、可以大面积制备，制备难度小。超构光栅单元特征尺寸大，且为单层结构，且设计上不存在面积限制，可以用于大面积制备应用。

因此，通过本发明的一种高数值孔径超构透镜的设计方法，以及利用本发明设计方法所设计的高数值孔径超构透镜，可以有效解决传统超构透镜无法实现高数值孔径下高聚焦效率、高光斑质量、偏振不敏感聚焦，且无法进行大面积实验制备的问题。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“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实施例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。此外，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。

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 (10)

1.一种高数值孔径超构透镜的设计方法，超构透镜中设置了高偏折效率偏振不敏感的超构光栅单元，其特征在于，还包括以下步骤：

S1、确定超构光栅单元的初始结构及其总自由度，并设定所需入射光波段，根据所需的偏折角度，设定超构光栅的衍射周期长度，然后对各个自由度几何参数的范围和扫描间隔进行设定，以建立超构光栅数值模拟模型；

S2、分别以相对超构光栅衍射周期垂直的线偏振光和相对超构光栅衍射周期平行的线偏振光入射超构光栅；在设定两种偏振光入射的条件下，利用数值模拟法对超构光栅的各个自由度的几何参数进行模拟扫描，以获得单个超构光栅单元在各种几何参数组合下的偏折效率，在二种偏振下偏折效率的差小于设定阈值的超构光栅几何参数当中选取偏折效率最高的超构光栅几何参数为偏振不敏感的设定偏折角度下最佳的超构光栅几何参数组合，以逐角度对光栅参数进行优化；

S3、根据所需的偏折角度，改变超构光栅长轴方向的衍射周期长度，重复步骤S1当中的模型构建方法以及结合S2的优化扫描方式，以合适的角度间隔获得设计超构透镜数值孔径所需的所有偏折角度下的最佳偏振不敏感超构光栅几何参数组合，并将所有数据放入超构光栅参数数据库中，以建立偏振不敏感条件下超构光栅数据库；

S4、将超构透镜以超构光栅组成的形式在径向上划分网格，超构光栅在超透镜中按照极坐标形式排列，在径向方向上超构光栅的排列坐标遵循相位曲线的形式，以将设计超构透镜区域按理想相位曲线进行网格划分；

S5、根据步骤S4中的超构透镜径向上划分的网格，从步骤S3的数据库中选定对应偏折角度的超构光栅单元进行组合，以使每个超构光栅单元与超透镜的相位曲线对应的偏折角度相匹配，在超构透镜的角向网格划分上，按照超构光栅优化的横向周期均分每个同偏折角度的环带，让每个超构光栅可以精确的匹配到网格中，以将超构光栅单元按角度匹配进行网格填充。

2.根据权利要求1所述的高数值孔径超构透镜的设计方法，其特征在于，在步骤S4中，在超构透镜径向上，按照相位曲线相位变化2π对应的超构透镜径向长度进行网格划分，每个网格区间都通过区间长度计算得到该区间的相位梯度及该相位梯度对应的入射光束偏折角度。

3.根据权利要求1所述的高数值孔径超构透镜的设计方法，其特征在于，在步骤S2中，利用数值模拟方法对单个超构光栅单元进行模拟计算，然后通过对模拟计算所得的超构光栅远场电磁场数据结果进行数值分析获得单个超构光栅单元对相应入射光波段和对应偏折角度下的偏折效率。

4.根据权利要求3所述的高数值孔径超构透镜的设计方法，其特征在于，所述数值模拟法包括但不限于时域有限差分法、有限元差分法、耦合波分析法。

5.根据权利要求1所述的高数值孔径超构透镜的设计方法，其特征在于，步骤S4中，在将超构透镜以超构光栅组成的形式在径向上划分网格时，对超构透镜按照放置超构光栅的需要，将透镜径向分段，以使每段恰好放下一种超构光栅并对应该段所需的偏折角度，形成多个圆环形的等偏折角度的环带。

6.一种利用权利要求1至5任一项所述设计方法设计的高数值孔径超构透镜，其特征在于，包括衬底和设于衬底一侧进行精确排列的超构光栅单元，所述超构光栅单元包括且不限于双柱结构、多柱结构，所述超构光栅单元的几何参数均为对应偏折角度下，偏折效率最高的偏振不敏感的几何参数组合，且精确排列后的超构光栅单元按照相位曲线规律分布。

7.根据权利要求6所述的高数值孔径超构透镜，其特征在于，所述超构光栅单元采用光学晶体、光学硅胶、光学玻璃、光学薄膜、光学塑料、金、银、铝、光学金属、硅、Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体、光学非金属中任意一种或多种的光学介质材料制备而成；所述光学晶体包括但不限于光学单晶、光学多晶、光学非晶；所述衬底包括但不限于金、银、铝光学金属、硅、Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体、光学非金属材料、光学玻璃、光学晶体、光学硅胶、光学薄膜、光学塑料、光学介质衬底材料中任意一种或多种的光学介质材料制备而成。

8.根据权利要求6所述的高数值孔径超构透镜，其特征在于，所述超构光栅单元上设有图形化排列的微纳结构。

9.根据权利要求8所述的高数值孔径超构透镜，其特征在于，所述微纳结构的图形化排列方法为电子束直写、紫外光刻、纳米压印和激光直写中的一种或多种。

10.根据权利要求8所述的高数值孔径超构透镜，其特征在于，通过干法刻蚀或湿法刻蚀在光学介质材料上以图形化排列结果为模板刻蚀出所需的微纳结构。

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