[发明专利]超构表面彩虹系统的设计与实现方法

说明书

本发明公开了一种超构表面彩虹系统的设计与实现方法，包括如下步骤：理论设计超构表面彩虹系统：选定系统的设计波长λ_d，平行光正入射条件；系统包括超构表面柱透镜主镜M₁和超构表面反射辅镜M₂；在设计波长λ_d条件下实现两片超构表面M₁和M₂的相位设计；白光照射下的彩虹功能的实现：平行光正入射条件，利用超构表面自带的色散特性，在光屏上获得与按工作波长次序依次排列布的设定形态的彩色光谱分布；制备超构表面彩虹系统：制备超构表面柱透镜主镜和超构表面反射辅镜，将两个超构表面对准，并调整至合适的间距，实现超构表面彩虹系统的调焦与成像性能。本发明实现色带按波长顺序依次排列的、半圆形彩虹形态的稳定显示效果，也可自定义任意空间形态的彩虹效果。

技术领域

本发明涉及人工彩虹技术领域，具体涉及一种超构表面彩虹系统的设计与实现方法。

背景技术

自然彩虹的形成是缘于太阳光经空气中密排水滴的折射-反射-折射后被人眼接收。不同波长的光存在色散，以人眼为中心、视轴为对称轴观察，每种色光光强最大值对应的视角随波长单调变化。由于视角满足关于视轴的旋转对称性，每种色光呈现出特定的锥角分布，故自然彩虹原则上为半圆拱形状态；但受限于天气、背景光等因素的影响，通常只呈现部分圆弧状形态，成像效果不稳定。在实验室条件或实际城市景观系统中基于同样原理，利用白光光源照射人工水雾可再现弧形彩虹，但受限于光源的强度、尺度和水滴均匀性等因素，通常为短弧形彩虹形态，成像效果不稳定，城市景观使用的大型水幕喷射系统还存在设备价格昂贵的问题。利用三棱镜对白光分光可简单获得直带状的彩色光谱分布。

超构表面材料为人工彩虹再现提供了一种有效的解决方案。它是由具有空间变化的亚波长超构功能单元构成的界面，通过精心地设计超构功能单元，可以在亚波长尺度下实现对电磁波的偏振、振幅和相位的有效调控。超构表面的二维属性使其能实现体积更紧凑，质量更轻，损耗更低的电磁功能元件。且超构表面的制备工艺与现有的互补金属氧化物半导体技术兼容，更容易集成到现有的光电技术中。基于超构表面设计的平面元件具有广泛的应用，例如实现全息成像、偏振转换、产生光的自旋轨道角动量、异常反射/折射等。在基于超构表面的精密光学元件中，最有吸引力和应用前景的例子要数平面超构透镜设计，根据需要设计光的波前可以达到不同的会聚效果。利用超构透镜还可以组合成其它更复杂的光学系统，使折射光学元件变得轻薄紧凑易于集成，可以在具有更先进功能的超小型光学设备中发挥更重要的作用。现有的研究主要集中在传统球面透镜的替代超构表面透镜的设计和性能优化，对超构表面柱透镜的研究的关注相对较少。传统球面柱透镜通过设计横截面的透镜厚度和几何曲率可以对光实现有效的相位调节条件和波前整形，在平行光正入射条件下，在单个垂轴横截面内折射光线存在像方焦点；连接不同垂轴横截面内的像方焦点可以获得一条沿柱透镜轴向的直线焦线。传统柱面透镜这种直线焦线特性无法实现彩虹的弧状形态，而且器件存在体积大、质量重等局限。反射式超构表面或反射式超构透镜存在研究，但并没有应用于彩虹再现系统的设计。因此，设计轻薄紧凑的平面超构人工彩虹系统，有助于实现小型化、集成化和低成本批量生产。

发明内容

有鉴于此，为了解决现有技术中的上述问题，本发明提出一种超构表面彩虹系统的设计与实现方法，旨在获得显示效果稳定、色带按波长顺序依次排列、严格的半圆形彩虹形态系统，并具备便于集成、可实现大批量低成本的生产等特点。

本发明通过以下技术手段解决上述问题：

一种超构表面彩虹系统的设计与实现方法，包括如下步骤：

超构表面彩虹系统的理论设计：选定系统的设计波长λ^d(如所研究白光光谱的中心波长)，平行光正入射条件；系统包括超构表面柱透镜主镜M₁和超构表面反射辅镜M₂两片共轴元件；