[发明专利]消色差微透镜阵列超表面

说明书

一种消色差微透镜阵列超表面。该超表面器件由不同旋转角度的介质纳米柱及衬底构成，依据Pancharatnam Berry相移的产生，将不同旋转角度的金属纳米柱进行阵列式排布，实现对出射电磁波波前的操纵。入射到器件的不同波长平面波经过超表面的相位调制，均能够以汇聚球面波的形式出射，并且将汇聚到同一焦点，实现消色差微透镜的效果。本发明提供了小型超薄的高分辨率高效率的介质型平面光学器件，在显微镜、望远镜、相机等成像器件的小型化和集成化领域有重要应用价值。

技术领域

本发明属于微纳光学和光学成像领域，涉及微光学器件、亚波长结构以及集成光学，特别是一种针对多波长实现消色差和聚焦功能的微透镜阵列超表面器件。

背景技术

超表面是一种由亚波长结构构成的二维平面器件，电磁波与构成超表面的亚波长结构之间的相互作用，会引起相位、振幅以及偏振态的变化，这种引起突变的单元结构以不同的形状、尺寸或方向周期性排列构成超表面，相比于传统的衍射型光学器件，超表面不仅仅对电场响应，也可以对磁场响应，并且调控尺寸小于波长，并且，相比于传统的光学成像技术，超表面技术具有设计自由度高、体积小、便于集成化的优势。随着微纳米加工技术的发展，光学超表面技术为现代光学成像技术指引了新的方向。

发明内容

本发明目的是为解决多波长透镜聚焦下的消色差问题，提供一种基于不同尺寸和不同旋转角度的介质纳米柱及衬底组合排布构成的微透镜阵列超表面器件。

本发明提出利用多种不同响应波长的介质纳米柱，将其通过一定方式组合排布构成超表面器件，可实现多波长消色差的聚焦微透镜功能。

所述的介质纳米柱的排布位置和旋转角度θ依据该器件的相位分布和Pancharatnam Berry相移原理确定，该器件在直角坐标系下的相位分布为：

介质纳米柱的旋转角度θ为：

其中：λ是入射光波长，f是设计的焦距，x，y是超表面透镜上每一点到透镜中心点的坐标。

通过改变纳米柱的长宽和衬底的尺寸，能得到对不同波长响应的单元，将多种波长响应的单元按一定规律排布，并按照该器件的相位分布排布纳米柱的位置和旋转角度θ，可实现多波长消色差的微透镜阵列超表面。

本发明的优点和积极效果：

本发明提供的消色差微透镜阵列超表面器件，当圆偏振光垂直衬底入射时，器件对入射圆偏光具有无色散的几何相位调控作用，并且通过对不同响应波长的纳米柱单元的排列组合，将不同波长的入射光聚焦到同一焦点，实现了消除色差的功能。

本发明提供的消色差微透镜阵列超表面器件，解决了传统光学设计中为了消除色差而使用结构复杂、体积庞大的透镜的问题，从而实现传统光学透镜的微型化，为紧凑型光学系统的搭建提供了新思路。

附图说明

图1是消色差微透镜阵列超表面器件的工作原理示意图。

图2是由介质纳米柱和衬底构成的相位调制结构示意图。其中(a)是相位调制超表面基本单元的主视图；(b)是相位调制超表面基本单元的右视图；(c)是相位调制超表面基本单元的俯视图；(d)是消色差微透镜阵列超表面器件的俯视图以及局部放大下红(R)、绿(G)、蓝(B)三种波长对应的超表面响应纳米柱单元的排布方式。

图3是不同波长右旋圆偏振光垂直入射该器件后的聚焦光场分布示意图。其中图3(a)、 (b)分别是λ₁＝405nm时电场E在焦平面xy和器件中心x方向切平面yz的强度分布图，图3(c)、(d)分别是λ₂＝513nm时电场E在焦平面xy和器件中心x方向切平面yz的强度分布图，图3(e)、(f)分别是λ₃＝700nm时电场E在焦平面xy和器件中心x方向切平面 yz的强度分布图。