一种宽带消色差偏振不敏感超构透镜及其设计方法

1.本发明属于微纳光学技术领域，具体涉及一种宽带消色差偏振不敏感超构透镜及其设计方法。


背景技术：

2.超构表面作为亚波长结构单元排布组成的新型平面光学元件，可对光场相位、振幅、偏振及频率进行灵活剪裁，为实现光学元件的集成化和小型化提供了强大的支撑平台。超构透镜作为超构表面走向实用化的典型代表，凭借其超强的光波操控能力、超紧凑结构、多功能性及与半导体工艺兼容等突出优点，受到了研究学者的广泛关注。目前，各种超构透镜已经在理论及实验上得到证实，包括动态可调谐超构透镜、超分辨率超构透镜、多焦点超构透镜及多功能超构透镜等。然而，受超构元胞共振色散及有限共振带宽的限制，超构透镜在偏离设计波段会遭受较大的色差，导致成像性能降低，从而限制了其在多波长或连续宽带器件中的应用。
3.为解决这个问题，研究学者提出了多种消色差超构透镜设计方案。其中，集成谐振相位补偿法和色散调制理论已成为获得宽带消色差超构透镜的主流设计方案。集成谐振相位补偿法以几何相位提供基础相位，利用传输相位对整个设计波段集成共振单元的色散进行相位补偿，从而实现宽带消色差聚焦功能。色散调制理论通过精心设计谐振纳米结构的形状、旋转角度及排列方式，同时控制元胞的“有效衍射率”(相位剖面)和“色散”(相位剖面的波长导数)，进而实现宽带消色差聚焦功能。但上述两种策略往往需要繁杂的全系统优化模拟，在制造和集成方面临难以大规模生产等挑战，这无疑增加了设计的复杂性和制备难度，且上述两种策略往往受限于单一入射光的偏振态，极大地限制了应用场景。
4.最近研究表明，采用具有c4对称性的纳米结构或其互补纳米结构作为超构元胞构建超构透镜，可实现偏振不敏感聚焦功能，但这是以减少空间设计自由度为代价的。另一种实现偏振不敏感聚焦性能的方式是采用同心分区域方式，内部圆形区域用于聚焦左旋圆偏振入射光，外部圆环区域用于聚焦右旋圆偏振入射光，由于任意偏振光均可分解为两正交偏振光，进而实现偏振不敏感聚焦功能，然而该设计方案会限制器件的数值孔径，并降低聚焦效率。
5.综上所述，无论是采用c4对称性结构作为超构元胞，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，受制造工艺水平的限制，基于传输型相位的调控会受到超构元胞纵横比大小的限制，从而导致补偿相位的大小有限，难以同时实现大尺寸超构透镜的宽带消色差和偏振不敏感的聚焦性能。


技术实现要素：

6.本发明目的之一在于提供一种宽带消色差偏振不敏感超构透镜，以解决现有技术中由于制作工艺的限制，使得补偿相位大小有限，难以同时实现大尺寸超构透镜的宽带消色差和偏振不敏感聚焦功能的问题。
7.第一方面，本发明实施例提供一种宽带消色差偏振不敏感超构透镜新型设计方法，包括：
8.step 1、确定nf1和nf2各向异性纳米鳍的面内尺寸及高度，以满足纳米鳍nf1对应共振波长λ
min
，纳米鳍nf2对应共振波长λ
max
，且保证nf1(nf2)在λ
min
处t
cross
接近1(0)，同时在λ
max
处t
cross
接近0(1)。
9.step 2、根据偏振复用超构表面理论，确立所述超构透镜相位分布形式；基于所述超构透镜最小目标工作波长λ
min
及目标焦距，确定基于nf1超构元胞的超构透镜ml1的相位分布基于所述超构透镜的最大目标工作波长λ
max
及目标焦距，确定基于nf2超构元胞的超构透镜ml2的相位分布及或为180
°
，或为0
°
。
10.step 3、基于相位分布及pb相位理论确立超构透镜ml1每一个像素处的nf1各向异性纳米鳍的旋转方位角α1；同理，根据确立超构透镜ml2每一个像素处的nf2各向异性纳米鳍的旋转方位角α2；α1及α2或为90
°
，或为0
°
。
11.step 4、将基于nf1超构元胞的透镜ml1与基于nf2超构元胞的透镜ml2结合，使所述宽带消色差偏振不敏感超构透镜每个像素既包含nf1超构元胞，又包含nf2超构元胞，即每个像素均为一复合超构元胞nf1&nf2；nf1&nf2，可知nf1&nf2或为十字型超构元胞(nf1
⊥
nf2)，或为一字型超构元胞(nf1∥nf2)；
12.step 5、所述宽带消色差偏振不敏感超构透镜由基于nf1的透镜ml1和基于nf2的透镜ml2相结合而成，设ml1与ml2具有相同目标焦距f。基于衍射型透镜聚焦呈现“波长越长，焦距越短”的事实，ml1在波长λ
min
处将光聚焦在f处，在[λ
min
，λ
max
]波段内，ml1焦距随入射波长增大逐渐减小，且越远离λ
min
，焦距越小；相反，ml2在波长λ
max
处将光聚焦在f处，在[λ
min
，λ
max
]波段内，ml2焦距随入射波长增小逐渐增大，且越远离λ
max
，焦距越大。受光学瑞利判据的启发，通过合理设置超构透镜数值孔径na，ml1产生的色差可完全补偿由ml2色散引起的“反向”色差，在[λ
min
，λ
max
]整个波段内两焦点“合二为一”，实现所述超构透镜在[λ
min
，λ
max
]整个波段内的宽带消色差性能。
[0013]
作为优选的，所述nf1纳米鳍目标工作波长λ
min
＝4μm对应的超构透镜ml1第一相位分布为所述nf2纳米鳍目标工作波长λ
max
＝5μm对应的超构透镜ml2第一相位分布为其中：
[0014][0015][0016]
上式中，f表示宽带消色差偏振不敏感超构透镜的预设目标焦距，(x,y)表示各向异性纳米鳍几何中心在空间的位置坐标，λ
min
,λ
max
表示宽带消色差偏振不敏感超构透镜最小和最大工作波长；所述nf1各向异性纳米鳍的面内尺寸l1＝0.95μm，w1＝0.6μm；所述nf2各向异性纳米鳍的面内尺寸l2＝0.45μm，w2＝1.65μm；所述nf1和nf2各向异性纳米鳍高度均为h＝4.2μm,所述基于nf1的超构元胞、基于nf2的超构元胞及nf1&f2复合超构元胞在x和y方
向上的周期均为p＝3μm。
[0017]
作为优选的，所述step 2中，在lcp入射下，对任一工作波长为λ，目标焦距为f的会聚超构透镜而言，其空间每一点(x,y)的相位分布函数为：
[0018][0019]
同理，在rcp入射下，对任一工作波长为λ，目标焦距为f的会聚超构透镜而言，其空间每一点(x,y)的相位分布函数为：
[0020][0021]
基于任意偏振光均可由一组正交圆偏振光叠加而成，基于pb相位的自旋复用超构透镜的总相位分布可表示为
[0022][0023]
求解可得总相位或为180
°
，或为0
°
。基于pb相位原理可知，各向异性纳米鳍nf1和nf2的旋转方位角或为90
°
，或为0
°
。
[0024]
基于任意圆偏振入射光透过任一纳米鳍后的透射电场矢量公式：
[0025][0026]
上式中，t
l
和ts分别表示当偏振方向沿纳米鳍长轴和短轴的垂直入射光穿过纳米鳍的复透射系数。可知，当t
l
＝-ts＝1时，上式第一项被消去，只剩下第二项正交偏振透射分量，且被赋予了
±
2α的相移，此时各向异性纳米鳍起到完美半波片的作用，可以将入射光完全转化为正交偏振透射光，
±
符号表示rcp或lcp入射光。当α＝0
°
或90
°
，即纳米鳍水平或竖直放置时，exp(i2α)＝exp(-i2α)，这使得rcp和lcp入射光与由水平或竖直放置的纳米鳍组成的超构透镜相互作用时，产生相同的相位轮廓，即可同时将lcp和rcp分量聚焦在光轴上同一位置。基于任意偏振光均可以由lcp和rcp分量线性叠加而成，因此所述超构透镜可实现偏振不敏感聚焦性能。
[0027]
作为优选的，所述step 5中，所述宽带消色差偏振不敏感超构透镜整体设计为圆盘状，复合超构元胞以圆盘中心为中心环绕了30圈，从内往外，第一圈包含6个复合超构元胞，第二圈包含12个复合超构元胞，第三圈包含18个复合超构元胞
…
以此类推，且复合超构元胞之间均以周期p为间隔，因此所述宽带消色差偏振不敏感超构透镜目标半径为90μm。
[0028]
作为优选的，所述step 5中，所述宽带消色差偏振不敏感超构透镜焦距设为f＝400μm，因此数值孔径na＝0.22.
[0029]
作为优选的，所述nf1各向异性纳米鳍和nf2各向异性纳米鳍均采用在中红外波段高透明低损耗的ge2sb2se4te1相变材料，且处于常温非结晶态；所述nf1各向异性纳米鳍和nf2各向异性纳米鳍均设于caf2衬底上。
[0030]
第二方面，本发明提供一种宽带消色差偏振不敏感超构透镜，所述宽带消色差偏振不敏感超构透镜由本发明第一方面所述方法制成。
[0031]
本发明实施例提供的一种宽带消色差偏振不敏感新型设计方法及超构透镜，基于pb相位调控机理及偏振复用理论，nf1各向异性纳米鳍调控4μm波长的入射光聚焦，nf2各向
异性纳米鳍调控5um波长的入射光聚焦；且nf1和nf2各向异性纳米鳍方位角α或为0
°
，或为90
°
，对左右旋入射光产生相同的相位轮廓，基于任意偏振光均可以由lcp和rcp分量线性叠加而成，因此可实现偏振不敏感聚焦性能；通过设置合适的超构透镜数值孔径na，基于nf1透镜ml1与基于nf2的透镜ml2在[4μm,5μm]整个波段内可实现色差互补，使本发明实施例超构透镜在4-5μm整个波段内对入射光无色差聚焦，最终实现宽带消色差偏振不敏感聚焦功能。
[0032]
本发明供的一种宽带消色差偏振不敏感超构透镜及其新型设计方法，可有效解决现有消色差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元胞的纵横比大小限制，使得补偿相位大小有限，难以同时实现超构透镜的宽带消色差和偏振不敏感的问题。
附图说明
[0033]
为更清楚地阐明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对本发明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。
[0034]
图1为本发明实施例的超构透镜及其复合超构元胞结构示意图；其中，1为ge2sb2se4te1各向异性纳米鳍nf1&nf2构成的超表面层，2为caf2衬底层；
[0035]
图2为本发明实施例的设计流程图；
[0036]
图3(a)-3(b)为本发明实施例基于各向异性纳米鳍nf1、nf2的超构元胞及基于nf1
⊥
nf2复合超构元胞在中红外波段3.5-5.5μm的正交偏振透过率和偏振转换效率图，图3(c)-3(e)在λ
min
＝4μm和λ
max
＝5μm入射光照射下，基于nf1、nf2的超构元胞及nf1
⊥
nf2复合超构元胞分别沿x切面和y切面的归一化磁场强度分布示意图；
[0037]
图4(a)-4(c)表示本发明实施例的中红外宽带消色差偏振不敏感超构透镜及两对比超构透镜ml1和ml2在lcp光入射下，在x-y焦平面(上)及x-z平面(下)的电场强度分布图，图上白色虚线所示为目标焦距位置，插图(灰色实线)表示沿着白虚线的归一化强度剖面。图4(d)为本发明实施例的中红外宽带消色差偏振不敏感超构透镜焦距随波长的变化示意图。同时模拟的对比超构透镜器件ml1和ml2焦距随波长的变化曲线也给出；图4(e)为提取的本发明实施例的中红外宽带消色差偏振不敏感超构透镜聚焦的电场峰值强度和半高全宽fwhm随采样波长的变化示意图，虚线表示相应的理论衍射极限。图4(f)为提取的本发明实施例的中红外宽带消色差偏振不敏感超构透镜的聚焦效率和焦深随采样波长的变化示意图。
[0038]
图5为根据本发明实施例的红外宽带消色差偏振不敏感超构透镜在采样入射波长4μm、4.5μm及5μm下，不同偏振光透过超构透镜后在远场处的聚焦电场分布图，图上白色虚线所示为目标焦距位置，插图(灰色实线)表示沿着白虚线的归一化强度剖面。
具体实施方式
[0039]
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。
[0040]
本技术实施例中术语“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。本技术实施例中的术语“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。本技术的描述中，“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。
[0041]
如图1(a)所示为本发明实施例的基于复合超构元胞的宽带消色差偏振不敏感超构透镜结构侧视图和俯视图，所述超构透镜包含caf2衬底层1和用于实现相位调制的基于ge2sb2se4te1复合超构元胞组成的超表面层2，所述超构透镜整体为圆盘状，半径r＝90μm，目标焦距f＝400μm，光从衬底一侧入射，从超表面一侧透射出。图中mwir表示中红外波段入射光，这里指4-5μm，lcp,rcp,lp分别左旋圆偏振光，右旋圆偏振光及线偏振光；图1(b)-1(d)为nf1&f2复合超构元胞结构示意图，其中图1(b)所示为垂直模式下的ge2sb2se4te1复合超构元胞，即nf1
⊥
nf2复合超构元胞侧视图；图1(c)所示为平行模式下的ge2sb2se4te1复合超构元胞，即nf1∥nf2复合超构元胞侧视图；图1(d)所示为垂直模式nf1
⊥
nf2复合超构元胞俯视图。nf1各向异性纳米鳍面内尺寸l1＝0.95μm，w1＝0.6μm；nf2各向异性纳米鳍面内尺寸l2＝0.45μm，w2＝1.65μm；nf1和nf2各向异性纳米鳍高度均为h＝4.2μm,nf1&f2复合超构元胞在x和y方向上的周期均为p＝3μm。
[0042]
图2为本发明实施例提供一种宽带消色差偏振不敏感构透镜新型设计方法，包括：
[0043]
step 1、确定nf1和nf2各向异性纳米鳍的面内尺寸及高度，以满足纳米鳍nf1对应共振波长λ
min
，纳米鳍nf2对应共振波长λ
max
，且保证nf1(nf2)在λ
min
处t
cross
接近1(0)，同时在λ
max
处t
cross
接近0(1)。
[0044]
step 2、根据偏振复用超构表面理论，确立所述超构透镜相位分布形式；基于所述超构透镜最小目标工作波长λ
min
及目标焦距，确定基于nf1超构元胞的超构透镜ml1的相位分布基于所述超构透镜的最大目标工作波长λ
max
及目标焦距，确定基于nf2超构元胞的超构透镜ml2的相位分布及或为180
°
，或为0
°
。
[0045]
step 3、基于相位分布及pb相位理论确立超构透镜ml1每一个像素处的nf1各向异性纳米鳍的旋转方位角α1；同理，根据确立超构透镜ml2每一个像素处的nf2各向异性纳米鳍的旋转方位角α2；α1及α2或为90
°
，或为0
°
。
[0046]
step 4、将基于nf1超构元胞的透镜ml1与基于nf2超构元胞的透镜ml2结合，使所述宽带消色差偏振不敏感超构透镜每个像素既包含nf1超构元胞，又包含nf2超构元胞，即每个像素均为一复合超构元胞nf1&nf2；nf1&nf2，可知nf1&nf2或为十字型超构元胞(nf1
⊥
nf2)，或为一字型超构元胞(nf1∥nf2)；
[0047]
step 5、所述宽带消色差偏振不敏感超构透镜由基于nf1的透镜ml1和基于nf2的透镜ml2相结合而成，设ml1与ml2具有相同目标焦距f。基于衍射型透镜聚焦呈现“波长越长，焦距越短”的事实，ml1在波长λ
min
处将光聚焦在f处，在[λ
min
，λ
max
]波段内，ml1焦距随入射波长增大逐渐减小，且越远离λ
min
，焦距越小；相反，ml2在波长λ
max
处将光聚焦在f处，在[λ
min
，λ
max
]波段内，ml2焦距随入射波长增小逐渐增大，且越远离λ
max
，焦距越大。受光学瑞利判据的启发，通过合理设置超构透镜数值孔径na，ml1产生的色差可完全补偿由ml2色散引
起的“反向”色差，在[λ
min
，λ
max
]整个波段内两焦点“合二为一”，实现所述超构透镜在[λ
min
，λ
max
]整个波段内的宽带消色差性能。
[0048]
具体的，本实施例方案对所述宽带消色差偏振不敏感超构透镜的相位分布理论进行了研究，在lcp入射下，对任一工作波长为λ，目标焦距为f的会聚超构透镜而言，其空间每一点(x,y)的相位分布函数为：
[0049][0050]
由于lcp与rcp对应的超构透镜相位分布具有共轭对称性，对于rcp入射光，所述超构透镜相位满足：
[0051][0052]
由于任意偏振光均可由lcp和rcp分量线性叠加而成，因此，基于pb相位的宽带消色差偏振不敏感超构透镜的总相位分布为：
[0053][0054]
因此，基于所述nf1纳米鳍的超构透镜ml1在目标工作波长λ
min
＝4μm处相位分布和基于所述nf2纳米鳍的超构透镜ml2在目标工作波长λ
max
＝5μm对应的相位分布为：
[0055][0056][0057]
上式中，f表示所述宽带消色差偏振不敏感超构透镜的预设目标焦距，(x,y)表示各向异性纳米鳍几何中心在空间的位置坐标，λ
min
,λ
max
表示宽带消色差偏振不敏感超构透镜最小和最大工作波长。由于总相位和或为180
°
，或为0
°
。基于pb相位调控原理可知，各向异性纳米鳍nf1和nf2的旋转方位角或为90
°
，或为0
°
。
[0058]
基于任意圆偏振光透过各向异性纳米鳍后的透射电场矢量公式：
[0059][0060]
式中t
l
和ts分别表示当偏振沿纳米鳍长轴和短轴的垂直入射光透过纳米鳍的复透射系数。
[0061]
可知，当t
l
＝-ts＝1时，上式第一项被消去，只剩下第二项正交偏振透射分量，且被赋予了
±
2α的相移(符号“+”表示rcp,符号
“‑”
代表lcp)，各向异性纳米鳍可以将入射光完全转化为正交偏振透射光。当α＝0
°
或90
°
，即纳米鳍水平或竖直放置时，exp(+i2α)＝exp(-i2α)，即rcp和lcp透过纳米鳍后产生相同的相位轮廓。由于任意偏振光都可以由lcp和rcp分量线性叠加而成，因此所述超构透镜可实现偏振不敏感聚焦功能。
[0062]
基于所述宽带消色差偏振不敏感超构透镜由透镜ml1和透镜ml2相结合而成，设ml1与ml2具有相同目标焦距f。基于衍射型透镜聚焦呈现“波长越长，焦距越短”的事实，ml1在波长λ
min
处将光聚焦在f处，在[λ
min
，λ
max
]波段内，ml1焦距随入射波长增大逐渐减小，且越远离λ
min
，焦距越小；相反，ml2在波长λ
max
处将光聚焦在f处，在[λ
min
，λ
max
]波段内，ml2焦距随入射波长增小逐渐增大，且越远离λ
max
，焦距越大。受光学瑞利判据的启发，通过合理设置超构透镜数值孔径na，ml1产生的色差可完全补偿由ml2色散引起的“反向”色差，在[λ
min
，λ
max
]整个波段内两焦点“合二为一”，实现所述超构透镜在[λ
min
，λ
max
]整个波段内的宽带消色差性能。
[0063]
如图3所示，图3(a)表示在波长为3.5-5μm中红外圆偏振光入射下，透过基于nf1的超构元胞(圆点实线)、基于nf2的超构元胞(方形实线)及基于nf1
⊥
nf2的复合超构元胞(三角实现)的正交偏振透过率t
cross
，竖虚线之间的波段代表本实施例关注的波段范围，其中基于nf1的超构元胞在λ
min
处t
cross
大于0.95，接近1，同时在λ
max
处t
cross
小于0.05，接近0；而基于nf2的超构元胞正交偏振透射行为正好相反，即在λ
min
处t
cross
小于0.1，接近0，同时在λ
max
处t
cross
大于0.97，接近1；同时基于nf1
⊥
nf2的复合超构元胞在整个关注的波段范围内，平均正交偏振透过率达到了0.88，这保证了所述宽带消色差偏振不敏感超构透镜在整个关注波段范围内可实现有效的宽带消色差偏振不敏感聚焦功能。图3(b)表示在波长为3.5-5μm中红外圆偏振光入射下，透过基于nf1的超构元胞(圆点实线)、基于nf2的超构元胞(方形实线)及基于nf1
⊥
nf2的复合超构元胞(三角实现)的偏振转换效率pce,其中pce＝t
cross
/(t
cross
+t
co
)，t
co
表示圆偏振光入射下的同偏振透过率。对比图3(a)可看出，三种超构元胞的pce与t
cross
表现趋势均一致，其中基于nf1&nf2的复合超构元胞在整个关注的波段范围内，pce基本维持在0.8以上，这进一步证实了所述宽带消色差偏振不敏感超构透镜在整个关注波段范围内可实现有效的宽带消色差偏振不敏感聚焦功能。图3(c)-3(e)分别表示在λ
min
＝4μm和λ
max
＝5μm的电磁波照射下，基于nf1的超构元胞、基于nf2的超构元胞及基于nf1
⊥
nf2的复合超构元胞沿x切面(上)和y切面(下)的归一化磁场强度分布示意图；可知，相应波长下各向异性纳米鳍内部激发的多重电磁共振现象促成了高效正交偏振透射率及高pce。
[0064]
需要说明的是，图3并没有给出基于nf1∥nf2的复合超构元胞的正交偏振透过率和pce的曲线图。当纳米鳍nf1和纳米鳍nf2旋转角度一致时，两纳米鳍重叠在一起，由于纳米鳍nf2的尺寸较大，此时纳米鳍nf2起主要调控作用，而对于基于nf1
⊥
nf2的复合超构元胞而言，由于nf1与nf2相互垂直，两纳米鳍相位互不干扰。因此总体上来说，纳米鳍nf2在超构透镜聚焦中起主要调控作用。
[0065]
图4(a)-4(c)表示本发明实施例的中红外宽带消色差偏振不敏感超构透镜及两对比超构透镜器件ml1和ml2在lcp光入射下,在在x-y焦平面(上)及x-z平面(下)的电场强度分布图，图上白色虚线所示为目标焦距位置，插图(灰色实线)表示沿着白虚线的归一化强度剖面。由于超构透镜器件ml1和ml2均为pb相位型超构透镜，因此具有宽带聚焦效果，但因ml1和ml2本身色散特性，使得ml1只在λ
min
＝4μm时，产生的光斑中心位置才接近预设目标焦距位置，随着入射波长增加，光斑中心位置逐渐偏离预设目标焦距位置，且光斑光强逐渐较弱，且波长越大，偏离越严重，光强越弱；而对于ml2，情况正好相反，ml2只在λ
max
＝5μm时产生的光斑中心位置接近预设目标焦距位置,随着入射波长减小，光斑中心位置逐渐偏离预设目标焦距位置，且光斑光强逐渐较弱，且波长越小，偏离越严重，光强越弱；即ml1和ml2所
产生的光斑焦距和强度均呈现出波长依赖特性。由于本发明实施例的宽带消色差偏振不敏感超构透镜由ml1和ml2结合而成，且超构透镜数值孔径na合理设置，使得ml1产生的色差可完全补偿由ml2色散引起的“反向”色差，因此本发明实施例的宽带消色差偏振不敏感超构透镜产生的明亮光斑的中心都接近预定目标焦距位置(白色虚线所示)，且光斑光强基本稳定，表明本发明实施例的宽带消色差偏振不敏感超构透镜在4-5μm波段内可高效实现宽带消色差聚焦功能。
[0066]
图4(d)为提取的本发明实施例的宽带消色差偏振不敏感超构透镜光斑焦距及焦距偏移随波长的变化示意图。对比超构透镜器件ml1和ml2光斑焦距及焦距偏移随波长的变化曲线也给出。焦距偏移指的是实际焦距与预设焦距之间的偏差量。由图可知，在整个4 5μm波长范围内，本发明实施例的宽带消色差偏振不敏感超构透镜产生的焦距都基本保持在预设的目标焦距附近，与相应的焦深(λ/να2，如图4(f)所示)相比，焦距变化量非常小(《6.13％)。然而，对衍射透镜ml1和ml2，由于固有的色散性质，在45μm波长范围内，ml1和ml2的焦距均呈单调递减趋势，焦距偏移分别高达96μm和68μm。
[0067]
图4(e)为提取的本发明实施例的宽带消色差偏振不敏感超构透镜聚焦的电场峰值强度和半高全宽(fwhm)随采样波长的变化示意图，白色虚线表示本发明实施例的宽带消色差偏振不敏感超构透镜的理论衍射极限。可观察到，聚焦的电场峰值强度随入射波长增加而呈上升趋势，所有的fwhm均在理论衍射极限附近，表明本发明实施例的宽带消色差偏振不敏感超构透镜实现的是接近衍射极限的聚焦功能。
[0068]
图4(f)表示的是本发明实施例的宽带消色差偏振不敏感超构透镜的聚焦效率，其定义为以焦斑中心为中心，3倍的fwhm区域内的光功率与入射光总功率之比。尽管入射波长增加时聚焦效率存在一些扰动，但在整个4 5μm波长范围内基本上呈单调增加的趋势，最高效率可达到43％，整个工作带宽的平均效率约为34.9％。图4(f)还给出了本发明实施例的宽带消色差偏振不敏感超构透镜在在整个45μm波长范围内产生的焦点的焦深，证实本发明实施例涉及的新型设计方法更适用于大焦深超构透镜的设计。
[0069]
图5为根据本发明实施例的宽带消色差偏振不敏感超构透镜在采样入射波长4μm、4.5μm及5μm下，不同偏振光透过超构透镜后在远场沿x-z面的聚焦电场分布图，图上白色虚线所示目标焦距位置，插图(灰色实线)表示沿着白虚线的归一化电场强度剖面。lp0，lp45，lp90，lcp、rcp、lep及rep分别表示x线偏振入射光，45
°
线偏振入射光，y线偏振入射光，左旋圆偏振入射光，右旋圆偏振入射光，左旋椭圆偏振入射光及右旋椭圆偏振入射光，其中椭圆偏振光椭偏度为
±
0.5。可观察到，在所选三个采样波长上，本发明实施例的宽带消色差偏振不敏感超构透镜在不同的入射偏振光下生成的亮斑其中心位置几乎不变，均在预设目标焦距处，且亮斑电场强度基本维持稳定不变，可推断本发明实施例的宽带消色差偏振不敏感超构透镜在整个45μm关注波长范围内均具有良好的偏振不敏感聚焦功能。
[0070]
综上所述，本发明实施例提出了一种全新的宽带消色差偏振不敏感超构透镜设计方案。基于pb相位调制机理和偏振复用理论，通过将基于各向异性纳米鳍nf1的超构元胞(nf1面内尺寸l1＝0.95μm，w1＝0.6μm，调控工作波长λ
min
＝4μm)和基于各向异性纳米鳍nf2的超构元胞(nf2面内尺寸l2＝0.45μm，w2＝1.65μm,调控工作波长λ
max
＝5μm)单独调控，使nf1和nf2或水平(α＝0
°
)或竖直(α＝90
°
)排列，因此基于nf1超构元胞的pb相位型超构透镜ml1和基于nf2超构元胞的pb相位型超构透镜ml2将不受入射光偏振态的限制；将基于nf1超
构元胞的超构透镜ml1和基于nf2超构元胞的超构透镜ml2有机结合，生成本发明实施例的宽带消色差偏振不敏感超构透镜，其包含nf1∥nf2和nf1与nf2的两种复合超构元胞，在nf1∥nf2的复合超构元胞中，纳米鳍nf2起主要调控作用，在nf1
⊥
nf2的复合超构元胞中，由于nf1与nf2相互垂直，两纳米鳍相位互不干扰，因此将超构透镜两组成部分ml1和ml2之间的串扰降至最低，从而本发明实施例的宽带消色差偏振不敏感超构透镜在λ
min
＝4μm和λ
max
＝5μm入射光下实现高效光聚焦，且焦距相同。由于超构透镜ml1和ml2均为衍射透镜，焦距随波长增大而减小，受光学瑞利判据启发，通过合理设置超构透镜数值孔径na，ml1产生的色差可完全补偿由ml2色散引起的“反向”色差，在[λ
min
，λ
max
]整个波段内两焦点“合二为一”，进而实现本发明实施例宽带消色差偏振不敏感超构透镜在[λ
min
，λ
max
]整个波段内的宽带消色差偏振不敏感聚焦性能。fdtd仿真结果表明，本发明实施例宽带消色差偏振不敏感超构透镜的确具备具有良好的宽带消色差和偏振不敏感聚焦性能。本文的设计方法可有效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带消色差偏振不敏感超构透镜。同时本文的设计方法兼具简单易行，普适性、可拓展性及多功能性，可进一步推广至其他需要同时调控宽带和偏振属性的光学器件，如涡旋光发生器、光束整形器等。
[0071]
本发明实施例提供的宽带消色差偏振不敏感超构透镜，由本发明上述实施例所述方法构建而成。
[0072]
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。
[0073]
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。

技术特征：
1.一种宽带消色差偏振不敏感超构透镜，其特征在于，所述超构透镜包括caf2衬底层和用于相位调制的ge2sb2se4te1(gsst)相变材料超表面层，所述超表面层由各向异性纳米鳍nf1和nf2以不同方位取向两两组合的多个复合超构元胞nf1&nf2在衬底层上表面以周期p排列为圆盘状纳米鳍阵列而成，其中nf1对应共振波长λ
min
，nf2对应共振波长λ
max
，nf1和nf2纳米鳍高度相同且在x-y平面内均呈水平或竖直放置，nf1和nf2以不同方位取向两两组合指nf1与nf2纳米鳍方位取向相互垂直或平行，复合超构元胞nf1&nf2包含两种组合形式：nf1
⊥
nf2和nf1∥nf2，周期p是指相邻两个复合超构元胞几何中心在x和y轴上的距离。2.根据权利要求1所述的宽带消色差偏振不敏感超构透镜，其特征在于，各向异性纳米鳍nf1和nf2均为矩形纳米柱，两者尺寸固定且面内尺寸不同，nf1长轴为l1，短轴为w1；nf2长轴为w2，短轴为l2；优选地，l1＝0.95μm，w1＝0.6μm；w2＝1.65μm，l2＝0.45μm；将任一各向异性纳米鳍放于caf2衬底层上表面即可构成一超构元胞；优选地，基于nf1的超构元胞、基于nf2的超构元胞，及nf1与nf2结合而成的复合超构元胞(nf1&nf2)的周期均为p＝3μm。3.根据权利要求1或2所述的宽带消色差偏振不敏感超构透镜，其特征在于，各向异性纳米鳍nf1和nf2的高度相同，均为h＝4.2μm。4.根据权利要求1或2所述的宽带消色差偏振不敏感超构透镜，nf1的超构元胞对应的共振波长λ
min
＝4μm，nf2的超构元胞对应共振波长λ
max
＝5μm。5.根据权利要求1或2所述的宽带消色差偏振不敏感超构透镜，其特征在于，所述nf1和nf2各向异性纳米鳍均采用相变材料为ge2sb2se4te1且为常温下的非晶态ge2sb2se4te1。6.根据权利要求1或2所述的宽带消色差偏振不敏感超构透镜，其特征在于，所述超构透镜整体设计为圆盘状，复合超构元胞以圆盘中心为中心环绕30圈，从内往外，第一圈包含6个复合超构元胞，第二圈包含12个复合超构元胞，第三圈包含18个复合超构元胞，以此类推，且复合超构元胞之间均以周期p为间隔。7.根据权利要求6所述的宽带消色差偏振不敏感超构透镜，其特征在于，所述宽带消色差偏振不敏感超构透镜半径为90μm，目标焦距设为400μm，因此na＝0.22。8.根据权利要求1至7中任一项权利要求所述的宽带消色差偏振不敏感超构透镜的设计方法，其设计步骤为：(1)确定各向异性矩形纳米鳍nf1和nf2的步骤：设所述超构透镜最小工作波长为λ
min
＝4μm，矩形纳米鳍方位角α为0
°
，通过仿真模拟，获取入射波长为λ
min
的左(右)旋圆偏振光lcp(rcp)透过超构元胞后，正交偏振透射率t
cross
(归一化)与矩形纳米鳍长轴和短轴参数之间的阵列数据库，确定t
cross
接近1的所有矩形纳米鳍nf1的长轴和短轴,建立nf1超构元胞备用数据库；同理，设所述超构透镜最大工作波长为λ
max
＝5μm，矩形纳米鳍方位角α为0
°
，通过仿真模拟，获取入射波长为λ
max
的lcp(rcp)透过超构元胞后，正交偏振透射率t
cross
与矩形纳米鳍长轴和短轴参数之间的阵列数据库，确定t
cross
接近1的所有矩形纳米鳍nf2的长轴和短轴，建立nf2超构元胞备用数据库；仿真模拟波长范围为[3.5μm,5.5μm]的lcp(rcp)透过备用nf1和nf2超构元胞后的正交偏振透射谱，选取在λ
min
处t
cross
接近1(0)，同时在λ
max
处t
cross
接近0(1)的nf1和nf2超构元胞参数，确定各向异性矩形纳米鳍nf1和nf2；(2)确定复合超构元胞，实现偏振不敏感超构透镜步骤：球面会聚透镜相位分布为
式中f
i
表示预设目标焦距，(x,y)表示各向异性纳米鳍几何中心的空间位置坐标，λ
i
表示目标入射波长；对于lcp入射光，所述超构透镜相位满足：由于lcp与rcp对应的超构透镜相位分布具有共轭对称性，对于rcp入射光，所述超构透镜相位满足：能将lcp和rcp同时聚焦的自旋复用超构透镜总相位分布为：当f
l
＝f
r
且λ
l
＝λ
r
时，总相位或基于pb相位调控机理可知，各向异性纳米鳍nf1和nf2的旋转方位角或为90
°
，或为0
°
；由于所述超构透镜复合超构原子nf1&nf2由纳米鳍nf1和nf2结合而成，因此包含两种组合形式：nf1
⊥
nf2和nf1∥nf2；基于任意圆偏振光透过各向异性纳米鳍后的透射电场矢量公式：式中t
l
和t
s
分别表示当偏振沿纳米鳍长轴和短轴的垂直入射光透过纳米鳍的复透射系数。可知，当t
l
＝-t
s
＝1时，上式第一项被消去，只剩下第二项正交偏振透射分量，且被赋予了
±
2α的相移(符号“+”表示rcp,符号
“‑”
代表lcp)，各向异性纳米鳍可以将入射光完全转化为正交偏振透射光。当α＝0
°
或90
°
，即纳米鳍水平或竖直放置时，exp(+i2α)＝exp(-i2α)，即rcp和lcp透过纳米鳍后产生相同的相位轮廓；由于任意偏振光都可以由lcp和rcp分量线性叠加而成，因此所述超构透镜可实现偏振不敏感聚焦功能；(3)确定构透镜数值孔径na，实现宽带消色差聚焦功能步骤：所述宽带消色差偏振不敏感超构透镜由基于nf1的透镜ml1和基于nf2的透镜ml2相结合而成。透镜ml1(ml2)指的是基于pb相位调制和偏振复用理论，由多个不同旋转方位角的纳米鳍nf1(nf2)坐落在caf2衬底上组成的超构透镜；设ml1与ml2具有相同目标焦距f。基于衍射透镜聚焦呈现“波长越长，焦距越短”的事实，ml1在波长λ
min
处将光聚焦在f处，在[λ
min
，λ
max
]波段内，ml1焦距随入射波长增大逐渐减小，且越远离λ
min
，焦距越小；相反，ml2在波长λ
max
处将光聚焦在f处，在[λ
min
，λ
max
]波段内，ml2焦距随入射波长增小逐渐增大，且越远离λ
max
，焦距越大；受光学瑞利判据的启发，通过合理设置超构透镜数值孔径na，ml1产生的色差可完全补偿由ml2色散引起的“反向”色差，在[λ
min
，λ
max
]整个波段内两焦点“合二为一”，实现所述超构透镜在[λ
min
，λ
max
]整个波段内的宽带消色差性能；(4)结合(1)至(3)，所述超构透镜在[λ
min
，λ
max
]整个波段内可实现宽带消色差偏振不敏感聚焦功能。

技术总结
本发明属于微纳光学技术领域，具体涉及一种宽带消色差偏振不敏感超构透镜及其设计方法。所述超构透镜包括CaF2衬底层和用于相位调制的Ge2Sb2Se4Te1(GSST)相变材料超表面层，所述超表面层由各向异性纳米鳍NF1和NF2以不同方位取向两两组合的多个复合超构元胞NF1&NF2在衬底层上表面以周期p排列为圆盘状纳米鳍阵列而成，其中NF1对应共振波长λ


技术研发人员：田喜敏 许军伟 黄雅峰 张胜蓝 徐亚宁 丁佩 许坤
受保护的技术使用者：郑州航空工业管理学院
技术研发日：2023.07.18
技术公布日：2023/10/11