[发明专利]一种产生多波段消色差贝塞尔光束的超表面轴锥器件

说明书

本发明公开了一种产生多波段消色差贝塞尔光束的超表面轴锥器件。该器件由多个超表面单元径向延拓组成：超表面单元为全介质单元，分为衬底层和天线层，衬底层为正方晶格结构，天线层为矩形纳米柱结构。超表面单元将相位调控与振幅调控分开，由几何相位原理提供相位调控，由天线层的结构参数提供振幅调控和波长选择性。超表面轴锥器件由单一种类超表面单元构成时在透射空间一定范围内产生单波长贝塞尔光束，由多种超表面单元构成时在可在多波长下同时工作，产生波长不敏感的贝塞尔光束。本发明提供以平面器件产生贝塞尔光束的方法，解决了传统轴锥器件形貌复杂、加工难度大、难以集成的技术问题，具有集成度高、小型轻量等优势，有望应用在荧光显微成像当中。

技术领域

本发明涉及微纳光学和超表面电磁调控技术领域，特别涉及一种产生多波段消色差贝 塞尔光束的超表面轴锥器件。

背景技术

自从贝塞尔的概念提出以来，就有许多学者开展研究，这种光束具有无衍射和自愈特 性，甚至还能提供光力。这些特性能够让无衍射光束在显微成像、光学微操控、激光手术 等领域发挥其特殊的作用。传统产生贝塞尔光束的方法有：轴锥镜、空间光调制器和亚波 长圆环，受到天然材料固有属性和现有加工工艺的限制，这些传统方法具有不易加工、体 积大、效率低等缺点。超表面是一种由亚波长结构构成的平面人工电磁材料，能够实现对 入射光的波前包括振幅、相位和偏振的任意调控。近年来引起了广泛的关注，并且在光束 变换、聚焦、全息成像、偏振转换、结构色产生等方面有广泛的应用。由于超表面本身是平面超薄的结构，相对于传统产生贝塞尔光束的方法，基于超表面的轴锥器件具有体积小、轻薄、易于与现有光学系统进行集成的优点。本发明结构简单、容差大，仅由两层结构设 计就能实现设计目的，将基于几何相位原理调控器件的相位响应与基于矩形纳米柱的结构参数调控器件的振幅响应相结合，避免了以结构参数改变调控相位分布的方式带来的振幅差异，各个矩形纳米柱之间的相对振幅差异最小化。

发明内容

本发明目的在于提出一种在圆偏振光照射下能够产生可调控的贝塞尔光束的超表面 轴锥器件及其设计方法，解决了传统轴锥器件形貌复杂、加工难度大以及难以集成的技术 问题，可扩大超表面在成像、探测等领域的应用。

本发明提供了一种产生多波段消色差贝塞尔光束的超表面轴锥器件，其特征在于：由 多个超表面单元在平面内径向延拓组成，所述超表面单元为方形且周期均为p；超表面单 元为两层介质结构；上层为矩形纳米柱结构的天线层，下层为正方晶格的衬底层；该超表 面轴锥器件由单一种类超表面单元构成时在透射空间一定范围内产生单波长贝塞尔光束， 由多种超表面单元构成时在可在多波长下同时工作，产生波长不敏感的贝塞尔光束。

本发明中，所述的超表面轴锥器件，其特征在于：超表面单元中矩形纳米柱结构的长度为l、宽度为w、高度为h，正方晶格衬底的周期为p。该周期p必须小于主工作波长， 以避免衍射效应，但也应该足够大，以避免两个相邻矩形纳米柱之间的近场强相互作用。

本发明中，所述的超表面轴锥器件的超表面单元，其特征在于：将相位调控与振幅调 控分开，由几何相位原理提供相位调控，由天线层的结构参数提供振幅调控和波长选择性。

本发明中，所述的超表面轴锥器件的超表面单元，其特征在于在笛卡尔坐标系(x，y，z)下， 当入射光为圆偏光时，超表面单元的透射矩阵满足在这里左旋圆偏振光(σ＝1)，右旋圆偏 振光(σ＝-1)，T_xx表示线偏振光以x方向振动入射时在x方向上的偏振复透射系数，T_yy表示线偏振光以y方向振动入射时在y方向上的偏振复透射系数。若天线的长短轴之间 提供的相移差为π，各向透射振幅均相同T_xx＝-T_yy，则圆偏振光交叉偏振分量达到最大。

本发明中，所述的超表面轴锥器件的超表面单元，其特征在于：超表面单元的结构参 数与波长选择相联系，结构参数的变化会带来其响应波长的变化以及振幅调控的变化。