CN114966916A - 一种偏振无关的超分辨超构透镜及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种偏振无关的超分辨超构透镜，包括聚焦层、超振荡层和基底层，聚焦层包括聚焦层圆形纳米柱结构单元，超振荡层包括超振荡层圆形纳米柱结构单元，超振荡层圆形纳米柱结构单元和聚焦层圆形纳米柱结构单元分别垂直分布于基底层的两侧，底面圆心位于基底层两侧平面相同X、Y位置处的聚焦层圆形纳米柱结构单元与超振荡层圆形纳米柱结构单元轴线重合，聚焦层使入射光由平面波前变为汇聚波前以形成聚焦光束，超振荡层通过对入射光进行快速的相位振荡来激发超振荡光场以实现超衍聚焦。本发明超构透镜中所有的结构单元均采用偏振不敏感的圆形纳米柱，使超构透镜能实现对各种偏振态入射光的超衍聚焦。

Description

一种偏振无关的超分辨超构透镜及其制造方法

技术领域

本发明涉及新型人工电磁材料和微纳光子学领域，尤其是涉及一种偏振无关的超分辨超构透镜及其制造方法。

背景技术

传统透镜受限于自然材料的选择范围和物理特性，通常具有较大的体积和重量。随着集成化、微型化和便携式光学设备逐渐成为发展趋势，传统透镜显然已不适用，而超构透镜的出现给微型光学设备的发展带来了更多的可能性。超构透镜(Metalens)是由亚波长结构单元组成的平面光学器件，它体积小、质量轻、可实现对入射光的任意调控；另外，超透镜相比传统透镜最独特的优势之一，就是能通过特殊的表面结构设计，只用一个透镜实现超分辨成像。然而，在现有的设计中，具有超分辨特性的超构透镜通常是偏振敏感的，只适用于特定的偏振光，这严重限制了它的应用场景。

为突破衍射极限，国内外进行了很多相关探索，包括利用表面等离激元的短波长效应、分子荧光技术等；然而，这些方法不可避免地受到复杂的近场操作或荧光染料标记的限制。近年来，随着超振荡理论的发展和完善，光学超分辨领域迎来了新的发展契机。超振荡现象是光场相干叠加的结果，可以在远场区域实现任意小的焦斑分布。基于光学超振荡理论，许多科研人员投入到超振荡光场调控的超分辨超构透镜的研究设计中。2015年，中科院光电技术研究汤东亮采用亚波长矩形孔结构构建了宽带超振荡光场，在可见光到近红外波段范围内实现了0.674倍衍射极限的宽带聚焦超构透镜。2020年，重庆大学陈刚课题组设计了一种高数值孔径的超振荡超构透镜，在4°的视场内可实现约0.874倍衍射极限的聚焦效果。2020年，朱磊设计了一种级联校像差型的超振荡超构透镜，在0-25°的入射角范围内，实现了约0.75倍衍射极限的超分辨聚焦。然而，现有的这些超分辨超构透镜在设计中均采用几何相位调控来实现相位调制，故只能在圆偏振光入射下实现超衍聚焦，这极大程度地限制了超分辨超构透镜的应用。

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

本发明的目的在于克服上述背景技术中现有的超构透镜不能实现对各种偏振态入射光的超衍聚焦的缺点，提供一种偏振无关的超分辨超构透镜及其制造方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种偏振无关的超分辨超构透镜，包括聚焦层、超振荡层和基底层，所述聚焦层包括聚焦层圆形纳米柱结构单元，所述超振荡层包括超振荡层圆形纳米柱结构单元，所述超振荡层圆形纳米柱结构单元垂直分布于所述基底层的一侧平面，所述聚焦层圆形纳米柱结构单元垂直分布于所述基底层的另一侧平面，底面圆心位于基底层两侧平面相同X、Y位置处的所述聚焦层圆形纳米柱结构单元与所述超振荡层圆形纳米柱结构单元的轴线重合，所述聚焦层使入射光由平面波前变为汇聚波前以形成聚焦光束，所述超振荡层通过对入射光进行快速的相位振荡来激发超振荡光场以实现超衍聚焦。

在一些实施例中，所述聚焦层目标位置所对应的目标相位由以下公式计算：

其中，λ为透镜工作波长，f为透镜的焦距，x、y为目标位置相对于透镜中心的坐标。

在一些实施例中，所述超振荡层圆形纳米柱结构单元包括第一类结构单元和第二类结构单元，第一类结构单元与第二类结构单元相位差为π，以不同归一化半径跳变位置在基底层上呈同心环状分布。

在一些实施例中，所述聚焦层圆形纳米柱结构单元在所述基底层上呈周期阵列、覆盖[0,2π]全相位，所述聚焦层圆形纳米柱结构单元中在所述目标位置提供的相位与所述目标相位一致。

本发明还提供一种偏振无关的超分辨超构透镜的制造方法，包括以下步骤：

S1:构建结构单元库，所述结构单元库包括若干圆形纳米柱结构单元，所述圆形纳米柱结构单元在三维坐标系XYZ的X、Y方向呈周期阵列，以高透射率和[0,2π]全相位覆盖为评判标准，以扫描优化的方式确定所述圆形纳米柱结构单元的结构单元参数组，所述结构单元参数组包括圆形纳米柱结构单元的高度与半径；

S2：构建聚焦层，所述聚焦层使入射光由平面波前变为汇聚波前以形成聚焦光束；

S3：构建超振荡层，所述超振荡层通过对入射光进行快速的相位振荡来激发超振荡光场，以此打破空间频率限制，形成超衍焦斑；

S4:构建超构透镜，将所述超振荡层、基底层、所述聚焦层依次级联，底面圆心位于基底层两侧平面相同X、Y位置处的聚焦层圆形纳米柱结构单元与超振荡层圆形纳米柱结构单元的轴线重合。

在一些实施例中，步骤S2中，构建聚焦层包括以下步骤：

S2.1：确定超构透镜目标位置对应的目标相位；

S2.2：选取所述结构单元库中符合所述目标相位的结构单元参数组对应的圆形纳米柱结构单元作为聚焦层圆形纳米柱结构单元；

S2.3：将步骤S2.2中所述的圆形纳米柱结构单元放置在所述目标位置上，该圆形纳米柱结构单元底面保持在同一平面上，构成聚焦层。

在一些实施例中，步骤S3中构建超振荡层包括以下步骤：

S3.1:选取所述结构单元库中相位相差为π的圆形纳米柱结构单元作为超振荡层圆形纳米柱结构单元，将所述圆形纳米柱结构单元呈同心环状放置，同一相位的圆形纳米柱结构单元放置于同一环带中，构成相位相差为π的第一类结构单元与第二类结构单元；

S3.2：以超衍射形成的超衍射焦斑的单一性能指标为目标函数，以超衍射性能为约束条件建立超振荡层优化模型，求解所述第一类结构单元的相位跳变位置与第二类结构单元的相位跳变位置；

S3.3：将所述第一类结构单元与第二类结构单元按照对应的跳变位置呈同心环状分布放置，所述超振荡圆形纳米柱结构单元底面保持在同一平面上，构成超振荡层。

在一些实施例中，步骤S2.1中，所述目标位置对应的所述目标相位在所述基底层上符合双曲相位分布，由以下公式计算：

其中，λ为透镜工作波长，f为透镜的焦距，x、y为目标位置相对于透镜中心的坐标。

在一些实施例中，步骤S1中，利用基于麦克斯韦方程组的时域有限差分法计算所述结构单元参数组的透射率和相位值。

在一些实施例中，步骤S3.2中，所述超振荡层优化模型的目标函数为中心超衍射焦斑的强度，所述约束条件为半峰全宽、第一零点位置和二元相位。

本发明具有如下有益效果：

本发明提出通过传输相位调控来实现一种偏振无关的超分辨超构透镜的设计，超构透镜中所有的结构单元均采用偏振不敏感的圆形纳米柱，使超构透镜能够适用于各种偏振态的入射光，超振荡层通过对入射光进行快速的相位振荡来激发超振荡光场以实现超衍聚焦，使本发明的超构透镜能实现对各种偏振态入射光的超衍聚焦。采用具有聚焦层和超振荡层的多层结构超构透镜有效避免了单层设计时结构单元深宽比大，加工难的问题。本发明有利于推动超分辨超构透镜在超分辨显微成像、亚衍射聚焦、超分辨望远镜等方面的大规模商用。

附图说明

图1是本发明实施例1中的一种偏振无关的超分辨超构透镜的制造方法流程图；

图2是本发明实施例1中的一种偏振无关的超分辨超构透镜的制造方法示意图；

图3是本发明实施例1中的圆形纳米柱结构单元和基底示意图；

图4a是本发明实施例1中不同结构单元参数组下圆形纳米柱结构单元对应的透射图；

图4b是本发明实施例1中不同结构单元参数组下圆形纳米柱结构单元对应的相位图；

图5是本发明实施例1中使用粒子群优化算法求解超振荡层相位跳变位置的迭代过程示意图；

图6是本发明实施例1中的x轴上相位与位置关系示意图；

图7是本发明实施例1与实施例2中的一种偏振无关的超分辨超构透镜示意图；

图8是本发明实施例1中的一种偏振无关的超分辨超构透镜在波长为660nm的水平偏振光入射下，在透射侧焦平面的聚焦电场强度分布图；

图9a是本发明实施例1中的一种偏振无关的超分辨超构透镜在水平偏振光作用下焦平面沿y方向的光强分布曲线；

图9b是本发明实施例1中的一种偏振无关的超分辨超构透镜在竖直偏振光作用下焦平面沿y方向的光强分布曲线；

图9c是本发明实施例1中的一种偏振无关的超分辨超构透镜在右旋圆偏振光作用下焦平面沿y方向的光强分布曲线；

图9d是本发明实施例1中的一种偏振无关的超分辨超构透镜在左旋圆偏振光作用下焦平面沿y方向的光强分布曲线。

附图标记说明如下：1-圆形纳米柱结构单元，2-基底，3-聚焦层，4-基底层，5-超振荡层。

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。

实施例1

本发明实施例1提出了一种偏振无关的超分辨超构透镜的制造方法，超构透镜由聚焦层和超振荡层级联形成；超构透镜中所有结构单元均采用圆形纳米柱结构单元，其本质是通过传输相位来进行波前调控；由于圆形纳米柱是中心对称的，对不同偏振态的入射光产生的相位改变是相同的，所以超构透镜适用于各种偏振状态的入射光。

本实施例中一种偏振无关的超分辨超构透镜的制造方法如图1所示，包括：

S1:构建结构单元库，结构单元库包括圆形纳米柱结构单元，圆形纳米柱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，以高透射率和[0,2π]全相位覆盖为评判标准，以扫描优化的方式来确定所述圆形纳米柱结构单元的结构单元参数组，结构单元参数组包括圆形纳米柱结构单元的高度与半径，本实施例中结构单元参数组的透射率和相位值利用基于麦克斯韦方程组的时域有限差分法计算，在另一些实施例中还可使用有限元法来构建，本发明并不限制结构单元参数组的透射率和相位值的计算方法，本实施例中圆形纳米柱结构单元高度相同，具有较小的深宽比，深宽比指的是圆形纳米柱高度与半径的比值；

S2：构建聚焦层，根据预设抛物线相位分布函数得到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圆形纳米柱结构单元尺寸的映射关系，完成聚焦超表面层的构建，聚焦层使入射光由平面波前变为汇聚波前以形成聚焦光束；

具体地，构建聚焦层步骤包括：

S2.1：确定超构透镜目标位置对应的目标相位；聚焦层目标位置对应的所述目标相位在所述基底层上符合双曲相位分布，由以下公式计算：

其中，λ为透镜工作波长，f为透镜的焦距，x、y为目标位置相对于透镜中心的坐标；

S2.2：选取所述结构单元库中符合所述目标相位的结构单元参数组对应的圆形纳米柱结构单元作为聚焦层圆形纳米柱结构单元；

S2.3：将所述聚焦圆形纳米柱结构单元放置在目标位置上，所述聚焦层圆形纳米柱结构单元底面保持在同一平面上。

S3：构建超振荡层，在小数值孔径下，根据标量菲涅尔衍射积分公式，推导出超振荡层在焦平面位置的衍射光场分布；采用逆向设计的方法，将中心超衍射焦斑的强度作为超振荡模型的目标函数，将半峰全宽、第一零点位置和二元相位作为约束条件，将超振荡层相位突变的位置作为优化变量，寻找满足所有约束的最优解；求解获得相位突变位置后，在透镜单元库中选取相位相差π的两个不同尺寸的圆形纳米柱结构单元作为超振荡层圆形纳米柱结构单元，并以同心环的方式将其放入对应位置，完成超振荡超层的构建，所述超振荡层通过对入射光进行快速的相位振荡来激发超振荡光场；具体地，构建超振荡层步骤包括：

S3.1:选取所述结构单元库中相位相差为π的圆形纳米柱结构单元作为超振荡层圆形纳米柱结构单元，将所述圆形纳米柱结构单元呈同心环状放置，同一相位的圆形纳米柱结构单元放置于同一环带中，构成相位相差为π的第一类结构单元与第二类结构单元；

S3.2：以超衍射形成的超衍射焦斑的单一性能指标为目标函数，以超衍射性能为约束条件建立超振荡层优化模型，求解第一类结构单元的相位跳变位置与第二类结构单元的相位跳变位置，在本实施例中，超振荡层优化模型的目标函数为中心超衍射焦斑的强度，约束条件为半峰全宽、第一零点位置和二元相位；

S3.3：将所述第一类结构单元与第二类结构单元按照对应的跳变位置呈同心环状分布放置，所述超振荡圆形纳米柱结构单元底面保持在同一平面上。

S4:构建超构透镜，将超振荡层、基底层、聚焦层依次级联，底面圆心位于基底层两侧平面相同X、Y位置处的所述聚焦层圆形纳米柱结构单元与所述超振荡层圆形纳米柱结构单元中的轴线重合，本实施例中，基底层为二氧化硅基底层。

进一步地，完成透镜构建后，需对透镜的聚焦效率、半峰全宽等相关指标进行表征计算。此外，步骤S3中采用逆向设计的方法时，可以使用线性优化算法，也可使用粒子群、模拟退火算法、神经网络等其它启发性算法解决。若采用粒子群这种启发性算法求解，会存在多组可能解，所以需要根据计算出的透镜指标进一步判断解是否可行，如若结果不理想，需重复步骤S3和S4。

上述超构透镜的整体设计流程如图2所示，详细步骤如下：

1)构建透镜结构单元模型并进行参数扫描，如图3所示，超构透镜的圆形纳米柱结构单元1为圆形纳米柱，垂直于基底2上，本实施例中为圆形硅纳米柱，结构单元参数组包括圆形纳米柱的高度和半径；在FDTD中使用利用时域有限差分法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圆形纳米柱的透射率和相位值。图4a与图4b为本发明实施例中圆形纳米柱结构单元的参数扫描结果，图4a与图4b分别为不同结构单元参数组下圆形纳米柱结构单元对应的透射图和相位图，本实施例中的圆纳米柱结构单元的半径变化范围为50nm-160nm，高度变化范围为400nm-700nm。

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，确定圆形纳米柱结构单元最适参数组合，构建结构单元库。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，应尽可能保持所有圆形纳米柱结构单元有相同的高度和较小的深宽比，其中深宽比指的是高度与半径的比值。

3)计算超构透镜聚焦层所需的目标相位，聚焦层的理想相位分布符合抛物线分布即双曲相位分布，可由下式计算得出：

其中，λ为透镜工作波长，f为透镜的焦距，x、y为目标位置相对于透镜中心的坐标。

4)构建目标位置与结构单元尺寸的映射关系，根据步骤2)中得到的圆形纳米柱结构单元半径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，可得到目标位置所需圆形纳米柱结构单元的半径值，该圆形纳米柱结构单元可以在目标位置产生与目标相位相同的相位值。

5)在步骤1)-4)的基础上，完成聚焦层的构建。

6)在步骤2)中得到的圆形纳米柱结构单元半径与对应相位的数据集中寻找两个相位差为π的圆形纳米柱结构单元作为超振荡层圆形纳米柱结构单元。由于超振荡层表现为一种多环带二元相位器件，故只需两类相位差为π的圆形纳米柱结构单元来构建。本发明实施例中，选用高度为600nm，半径为100nm和148nm的第一类结构单元和第二类结构单元作为超振荡层结构单元，其单元周期为400nm。

7)超振荡优化模型的构建。在小数值孔径下，根据标量菲涅尔衍射积分公式，相位型器件在焦平面位置的衍射光场分布可以表示成：

其中，I(ρ)焦平面位置ρ处的光强，f表示透镜焦距，R表示透镜半径，

为器件的二元相位调制函数，λ为透镜工作波长，ρ为焦平面径向位置坐标，J₀为零阶贝塞尔函数。

将上式作为超振荡层逆向设计的优化函数，其中，优化变量为

目标函数为超衍射焦斑的某个性能指标，约束条件为超衍射性能。为充分利用入射光的能量，本发明实施例选择将中心超衍射焦斑的强度I(0)作为目标函数，半峰全宽(FWHM)、旁瓣强度和二元相位作为约束条件，优化变量为超振荡层相位跳变位置，具体的超振荡优化模型可以表示成：

目标函数：maxI(0).

约束条件：

8)采用粒子群算法求解模型的可行解，求解过程中随时观察迭代次数与适应度值的关系，当适应度值达到稳定，不再减小时，说明优化过程完成，如图5所示，此时输出的r序列便是可行解。这里需要注意的是：粒子群算法是一种启发性算法，单次运行不能保证所得结果为全局最优，应结合后续透镜性能计算结果，多次运行来寻找最适解。

9)根据步骤8)中计算出的相位跳变位置，依次将6)中所确定的两种结构单元放入相对应环带，完成超振荡层的构建，超振荡层为多环带状。随后利用FDTD对超振荡层的相位分布进行计算验证，图6展示了验证结果，图6为本实施例中超振荡层x轴上相位与位置关系示意图，其中x轴以超振荡层环带中心为原点，图中可以看出超振荡层表面的相位分布表现为π-0-π，不同环带间存在相位差为π的跳变，这与我们的设计要求相符合。

10)将构建完成的聚焦层和超振荡层级联，组成超分辨超构透镜。本发明实施例中构建的透镜如图7所示，整体共包含三层，分别为：聚焦层3、基底层4和超振荡层5，本实施例中基底层材质为二氧化硅，超振荡层圆形纳米柱结构单元垂直分布于基底层的一侧平面，聚焦层圆形纳米柱结构单元垂直分布于基底层的另一侧平面。这里需要注意的是：在级联过程中，必须保证透镜超振荡层和聚焦层同一位置处的结构单元完全对准，即底面圆心位于基底层两侧平面相同X、Y位置处的所述聚焦层圆形纳米柱结构单元与所述超振荡层圆形纳米柱结构单元的轴线重合，否则将导致相位偏差，影响超衍射聚焦效果。

11)利用FDTD计算所设计超构透镜的远场场分布，观察超构透镜的超衍射聚焦效果。图8为本发明实施例中的超构透镜在波长为660nm的水平偏振光入射下，在透射侧焦平面的聚焦电场强度分布图，超构透镜实现了对入射光的汇聚；图9a、图9b、图9c、图9d分别为超构透镜在水平偏振光、竖直偏振光、右旋圆偏振光和左旋圆偏振光作用下焦平面沿y方向的光强分布曲线，其中焦平面的正中心为原点，x方向是指过焦平面中心(焦点)沿水平方向，y方向是指过焦平面中心沿竖直方向，其对应的半峰全宽分别为0.9100μm、0.9100μm、0.8007μm和0.8007μm；根据所设计超构透镜的指标参数，可计算出超构透镜对应的阿贝衍射极限(

λ为透镜的工作波长，NA为透镜的数值孔径)为：1.1149μm；由此可见，本发明实施例中的超构透镜可对水平偏振光、竖直偏振光、右旋圆偏振光和左旋圆偏振光分别实现约0.82倍、0.82倍、0.72倍和0.72倍衍射极限的超分辨聚焦，这充分证明了本发明实施例偏振不敏感的超分辨特性。

实施例2

本发明实施例提供一种偏振无关的超分辨超构透镜，由实施例1中的制造方法制得，本实施例中超构透镜半径为15.5μm，焦距为50μm，数值孔径为0.296，工作波长为660nm。如图7所示，超构透镜包括厚度为300nm的二氧化硅基底与其两侧的聚焦层和超振荡层，超振荡层圆形纳米柱结构单元垂直分布于所述基底层的一侧平面，聚焦层圆形纳米柱结构单元垂直分布于所述基底层的另一侧平面。本实施例中，聚焦层包括由多个聚焦层圆形纳米柱结构单元，该圆形纳米柱结构单元具有高透射率，圆形纳米柱数量需使聚焦圆形纳米柱结构单元需实现[0,2π]全相位覆盖，聚焦层圆形纳米柱结构单元在基底层上呈周期阵列，即在三维坐标系XYZ的X、Y方向周期阵列，其中圆形纳米柱高度为600nm，其高度一致、半径不同(半径变化范围为50nm–160nm)，其中高度一致仅为优选的，本发明并不限于高度一致，另为了加工方便，圆形纳米柱具有较小的深宽比，深宽比指高度和半径的比值，圆形纳米柱结构单元的半径与其所放置目标位置的预设的目标相位相关联，圆形纳米柱结构单元在目标位置的相位与目标相位一致，由半径决定，本实施例中聚焦层目标位置所对应的目标相位由以下公式计算，符合抛物线分布：

其中，λ为透镜工作波长，f为透镜的焦距，x、y为目标位置相对于透镜中心的坐标。超振荡层表现为多环带二元相位型器件，包括由多个超振荡层圆形纳米柱结构单元，其中超振荡层圆形纳米柱结构单元包括第一类结构单元和第二类结构单元，本实施例中第一类结构单元和第二类结构单元高度一致、半径不同，其中高度为600nm，半径分别为100nm和148nm，其中高度一致仅为优选的，本发明并不限于高度一致，另为了加工方便，圆形纳米柱结构单元具有较小的深宽比，深宽比指高度和半径的比值，圆形纳米柱具有高透射率，其高度半径的参数组合使第一类结构单元与第二类结构单元相位差为π，第一类结构单元与第二类结构单元按特定比例以同心环方式放置，本实施例中特定比例即同心环归一化半径跳变位置分别为0.26和0.56，归一化半径跳变位置为计算出的相位跳变位置与超构透镜的半径的比值。

光学超振荡是指利用微结构对传输光场的干涉现象精密调制，形成局域快速振荡光场的现象。由于该局域振荡频率可以大于光场的最高空间频率，因而可形成超衍焦斑。本发明实施例中，超振荡层作为一种二元相位器件，可通过对入射光进行快速的相位振荡来激发超振荡光场。根据等光程原理，聚焦层表面相位分布设计为双曲相位分布，这种相位分布可使得通过聚焦层的入射光由平面波前变为汇聚波前，形成聚焦光束。在聚焦层和振荡层中，本发明均采用半径不同的圆形纳米柱来进行相位调控。由于圆形纳米柱是中心对称的，随着半径的变化可沿任意方向产生不同等效折射率的波导模式，因而可对任意偏振光进行相位调制，因此超构透镜表现为偏振不敏感性。

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，仅为本方法在660nm波长下基于二氧化硅和硅材料的较佳实施例，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)

1.一种偏振无关的超分辨超构透镜，其特征在于，包括聚焦层、超振荡层和基底层，所述聚焦层包括聚焦层圆形纳米柱结构单元，所述超振荡层包括超振荡层圆形纳米柱结构单元，所述超振荡层圆形纳米柱结构单元垂直分布于所述基底层的一侧平面，所述聚焦层圆形纳米柱结构单元垂直分布于所述基底层的另一侧平面，底面圆心位于基底层两侧平面相同X、Y位置处的所述聚焦层圆形纳米柱结构单元与所述超振荡层圆形纳米柱结构单元的轴线重合，所述聚焦层使入射光由平面波前变为汇聚波前以形成聚焦光束，所述超振荡层通过对入射光进行快速的相位振荡来激发超振荡光场以实现超衍聚焦。

2.如权利要求1所述的一种偏振无关的超分辨超构透镜，其特征在于，所述聚焦层目标位置所对应的目标相位由以下公式计算：

其中，λ为透镜工作波长，f为透镜的焦距，x、y为目标位置相对于透镜中心的坐标。

3.如权利要求1所述的一种偏振无关的超分辨超构透镜，其特征在于，所述超振荡层圆形纳米柱结构单元包括第一类结构单元和第二类结构单元，第一类结构单元与第二类结构单元相位差为π，以不同归一化半径跳变位置在基底层上呈同心环状分布。

4.如权利要求1或2所述的一种偏振无关的超分辨超构透镜，其特征在于，所述聚焦层圆形纳米柱结构单元在所述基底层上呈周期阵列、覆盖[0,2π]全相位，所述聚焦层圆形纳米柱结构单元中在所述目标位置提供的相位与所述目标相位一致。

5.一种偏振无关的超分辨超构透镜的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1:构建结构单元库，所述结构单元库包括若干圆形纳米柱结构单元，所述圆形纳米柱结构单元在三维坐标系XYZ的X、Y方向呈周期阵列，以高透射率和[0,2π]全相位覆盖为评判标准，以扫描优化的方式确定所述圆形纳米柱结构单元的结构单元参数组，所述结构单元参数组包括圆形纳米柱结构单元的高度与半径；

S2：构建聚焦层，所述聚焦层使入射光由平面波前变为汇聚波前以形成聚焦光束；

S3：构建超振荡层，所述超振荡层通过对入射光进行快速的相位振荡来激发超振荡光场，以此打破空间频率限制，形成超衍焦斑；

S4:构建超构透镜，将所述超振荡层、基底层、所述聚焦层依次级联，底面圆心位于基底层两侧平面相同X、Y位置处的聚焦层圆形纳米柱结构单元与超振荡层圆形纳米柱结构单元的轴线重合。

6.如权力要求5所述的一种偏振无关的超分辨超构透镜的制造方法，其特征在于，步骤S2中，构建聚焦层包括以下步骤：

S2.1：确定超构透镜目标位置对应的目标相位；

S2.2：选取所述结构单元库中符合所述目标相位的结构单元参数组对应的圆形纳米柱结构单元作为聚焦层圆形纳米柱结构单元；

S2.3：将步骤S2.2中所述的圆形纳米柱结构单元放置在所述目标位置上，该圆形纳米柱结构单元底面保持在同一平面上，构成聚焦层。

7.如权力要求5所述的一种偏振无关的超分辨超构透镜的制造方法，其特征在于，步骤S3中构建超振荡层包括以下步骤：

S3.1:选取所述结构单元库中相位相差为π的圆形纳米柱结构单元作为超振荡层圆形纳米柱结构单元，将所述圆形纳米柱结构单元呈同心环状放置，同一相位的圆形纳米柱结构单元放置于同一环带中，构成相位相差为π的第一类结构单元与第二类结构单元；

S3.2：以超衍射形成的超衍射焦斑的单一性能指标为目标函数，以超衍射性能为约束条件建立超振荡层优化模型，求解所述第一类结构单元的相位跳变位置与第二类结构单元的相位跳变位置；

S3.3：将所述第一类结构单元与第二类结构单元按照对应的跳变位置呈同心环状分布放置，所述超振荡圆形纳米柱结构单元底面保持在同一平面上，构成超振荡层。

8.如权力要求6所述的一种偏振无关的超分辨超构透镜的制造方法，其特征在于，步骤S2.1中，所述目标位置对应的所述目标相位在所述基底层上符合双曲相位分布，由以下公式计算：

其中，λ为透镜工作波长，f为透镜的焦距，x、y为目标位置相对于透镜中心的坐标。

9.如权力要求5所述的一种偏振无关的超分辨超构透镜的制造方法，其特征在于，步骤S1中，利用基于麦克斯韦方程组的时域有限差分法计算所述结构单元参数组的透射率和相位值。

10.如权力要求7所述的一种偏振无关的超分辨超构透镜的制造方法，其特征在于，步骤S3.2中，所述超振荡层优化模型的目标函数为中心超衍射焦斑的强度，所述约束条件为半峰全宽、第一零点位置和二元相位。

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