[发明专利]一种圆偏振二向色性超透镜和包括该超透镜的光路系统

说明书

本发明公开了一种圆偏振二向色性超透镜和包括该超透镜的光路系统，所述超透镜包括基底和表面结构；所述表面结构包括金属层和呈阵列设置的多个螺旋面结构，所述金属层形成在所述螺旋面结构上，多个所述螺旋面结构设置在所述基底上；多个所述螺旋面结构沿径向的旋转角角度范围为0～360°，且经过所述超透镜的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的相位能够实现全相位延迟。本发明实施例的超透镜能够为单一器件实现聚焦成像和圆二向色性的复合式功能提供了新思路，并且在手性传感测量、成像、显示和生物检测等方面有巨大的应用前景。

技术领域

本发明涉及偏振器技术领域，特别涉及一种圆偏振二向色性超透镜和包括该超透镜的光路系统。

背景技术

随着纳米光子学和纳米加工技术的快速发展，微纳结构光学器件因其设计灵活，调控电磁场的能力强，体积小，重量轻，且易于集成，可实现多种功能器件，引起了人们的广泛关注，其中，具有成像功能和偏振检测功能的微纳器件是最被广泛研究的两类。与传统的光学透镜相比，超透镜是一种具有微纳结构的超表面透镜，通过调控亚波长尺度的微纳结构来控制透射或反射场中电磁波的振幅、相位和偏振态。基于表面等离子激元(SPP)、局部表面等离子激元 (LSP)、MIE共振和几何相位(也称为Pancharatnam-Berry相位，PB相位)等机理可以实现透射或反射场中聚焦或成像。等离子体透镜由一系列金属等离子体天线组成，由于SPP/LSP效应的存在，在入射电磁波与透射/反射电磁波之间产生与金属天线的几何形状和尺寸相关的不连续性相位。利用不同几何形状和尺寸的V型金纳米天线阵列产生球面波前或贝塞尔光束的构想已经在电信波段得到了实验证明。由取向变化的等离子体偶极子天线阵列构成的双极性超透镜根据入射圆偏振光的旋向不同可以实现凸透镜与凹透镜的切换。与等离子体透镜不同，基于Mie共振的全介质超透镜也可以实现高效聚焦，例如利用不同尺寸的硅质椭圆柱实现透镜聚焦功能。最近，利用P-B相位设计聚焦成像光学表面的研究引起了很多关注。不同于传输相位，P-B相位是通过改变微纳光栅结构的方位角得到特定的相位分布。超透镜的每个结构单元类似于具有不同方位角θ的半波片(HWP)，当增加2θ的突变相位时使得透射或反射的圆偏振光与入射光正交。因此，基于P-B相位可以操纵透射光的相位分布从而在圆偏振光照射下实现闪耀光栅和透镜等功能。由高深宽比和高折射率透明介质的纳米块构成的亚波长高分辨率和宽带消色差光学成像器件已经在可见光波段得到实验证明。

不同于对物体的直接成像，偏振态的检测包含了物体更多的内部成分和结构信息，特别是在检测与物体(例如DNA分子或药物)的结构对称性(即手性)相关的透射或反射光的圆偏振信息方面显得尤为重要。由于在结构设计，尺寸调控和材料选择等方面的灵活性，超表面显示出较强的光学活性(Optical Activity,OA)和圆二向色性(CircularDichroism,CD)，因而引起了人们的广泛关注。基于等离子激元效应和超材料与入射光之间的手性匹配效应，三维手性超材料在中红外波段表现出极好的圆偏振二色性，即对左右旋圆偏振光具有明显的选择性透过，例如三维金螺旋线阵列和三维金螺旋曲面阵列。与三维手性超材料工作原理不同，二维手性结构通过破坏平面内的镜面对称性也能实现强烈的圆偏振二色性，例如工作于通信波段的在硅质中刻蚀Z型结构的超表面偏振器件和L型金属超表面偏振器件。

虽然这些基于超表面或超材料的元器件在聚焦成像或圆二向色性方面展示出极好的性能，但是集手性成像和圆二向色性于一体的功能性器件仍然没有取得重大进展。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种圆偏振二向色性超透镜和包括该超透镜的光路系统。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

本发明实施例提供了一种圆偏振二向色性超透镜，所述超透镜包括基底和表面结构；所述表面结构包括金属层和呈阵列设置的多个三维螺旋面结构，所述金属层形成在所述螺旋面结构上，多个所述螺旋面结构设置在所述基底上；多个所述螺旋面结构沿径向的旋转角角度范围为0～360°，且经过所述超透镜的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的相位能够实现全相位延迟。