[发明专利]一种全介质、宽带偏振与相位调控超表面及远场超分辨聚焦器件

说明书

一种全介质、宽带偏振与相位调控超表面及远场超分辨聚焦器件，包括基底和全介质超表面。对于给定方向的线偏振光，通过设置不同快轴方向角的全介质半波片超表面单元，实现出射光偏振调控；对于给定位置处全介质半波片超表面单元，通过设置结构单元快轴方向角为π/2，实现二值相位(0π)调控。采用线偏振光作为入射光束从器件基底一侧垂直入射器件结构，在距离聚焦器件出射面焦距位置处，产生小于光学衍射极限(0.5λ/NA)的聚焦焦斑。该器件是一种全介质超表面聚焦器件，具有透过率高、多功能(偏振转换和光束聚焦)、质量轻和易于集成等优点，可应用于光学聚焦、光束整形和光学显微等领域。

技术领域

本发明属于微纳光学、光学聚焦以及衍射光学等领域，具体涉及一种全介质、宽带、偏振与相位调控超表面及远场超分辨聚焦器件。

背景技术

传统光学系统存在理论极限0.5λ/NA(其中λ为波长，NA为光学系统数值孔径)。超衍射聚焦在粒子捕获、受激发射损耗显微技术(Stimulated Emission DepletionMicroscopy，简记为STED)和光镊等光学应用领域中有着广泛的应用前景。超表面结构可对光的振幅、相位和偏振进行调控，可应用于光学聚焦、光束整形和全息等领域，基于光学超表面结构的透镜具有透过率高、多功能(偏振转换和光束聚焦)、质量轻和易于集成等优点。

目前实现远场超分辨聚焦的技术手段，如产生超衍射空心光环，主要有采用传统物镜、锥透镜对角向偏振光进行聚焦，获得空心光环聚焦焦斑；采用双环角向偏振光作为入射光，结合传统物镜，形成空心光环；针对不同偏振态、拓扑荷的入射光，采用经过光瞳函数(振幅、相位)优化后的高数值孔径透镜聚焦，通过数值计算产生超衍射空心光环；采用偏振转换器(S玻片)实现线偏振光到角向偏振光的转换，并作为入射光，通过二值相位型平面超振荡透镜聚焦形成超衍射空心光环。然而，上述方法多数依赖于传统物镜(透镜)的聚焦功能。在实验过程中需要精细同轴对准入射光束、偏振转换器和聚焦透镜。相关文献有：

·Tian Bo and Pu Jixiong.“Tight focusing ofa double-ring-shaped,azimuthally polarized beam”.Opt,Let.Vol.36,pp,2014-2016(2011).

·Lalithambigai K,Suresh P,Ravi V,Prabakaran K,Jaroszewicz Z,RajeshK.B.,Anbarasan P.M.and Pillai T.V.S.“Generation ofsub wavelength super-longdark channel using high NAlens axicon”.Opt,Let.Vol.37,pp,999-1001(2012).

·Chen Gang,Wu Zhixiang,YuAnping,Zhihai Zhang,Zhongquan Wen,KunZhang,Luru Dai,Senlin Jiang,Yuyan Li,Li Chen,Changtao Wang and Xiangang Luo.“Generation of a sub-diffraction hollow ring by shaping an azimuthallypolarized wave”.Scientific Reports,Vol.6,pp,37776-37785(2016).

·Yu Anping,Chen Gang,Zhang Zhihai,Wen Zhongquan,Dai Luru,Zhang Kun,Jiang Senlin,Wu Zhixiang,Yuyan Li,Changtao Wang and Xiangang Luo,“Creation ofSub-diffraction Longitudinally Polarized Spot by Focusing Radially PolarizedLight with Binary Phase Lens”,Scientific Reports,6,pp38859:1-9,2016。