[发明专利]基于介质超表面的偏振非依赖宽带消色差器件

说明书

本发明提出了一种基于介质超表面的偏振非依赖宽带消色差器件，利用高折射率介质材料通过柱形结构与传播相位相结合的方法分别来控制入射线偏振光的波前和消除色差，将选取带宽内的光聚焦在同一位置，并通过对探测面的线偏振，即线偏振能量的提取，分析器件的消色差特性,低成本和半导体制造的兼容性使本发明中的消色差器件适合应用于纳米光子学和集成光学，利于器件的小型化、集成化处理。此外，此套方法适用于大频率范围，从可见光波段到太赫兹波段均可实现。

技术领域

本发明属于新型人工复合材料超表面技术领域，具体涉及基于介质超表面的偏振非依赖宽带消色差器件。

技术背景

波长色散是光学材料的一个重要特性，在光学元件和系统的设计中一直起着重要的作用。在大多数介质中，像玻璃，折射率随波长的增加而减小，这称为正常色散。利用这种材料，相比于短波长，在较长波长处折射透镜将具有更大的焦距，而棱镜将以更小的角度偏转。这种色差严重降低了全色光学应用的性能，如通信、检测、成像、显示等。

传统的光学聚焦器件通常是基于折射玻璃透镜，由于其体积大、操作不便、色差大等特点而受到限制。在这些成像系统中，色差来自于复合材料的色散，导致图像质量下降。为了抑制色差和提高成像质量，光学成像系统必然会变得更加笨重和复杂。因此具有微型、超薄、利于集成特性的超表面光学器件正逐步取代传统光学器件。基于超表面实现的光学器件主要由金属和介质两种材料组成，由于金属结构固有的欧姆损失，金属超表面的透射效率极低。反射式金属超表面虽然可以实现高效率，但绝大数主流的光学器件都是透射式器件，反射式超表面并不能适用。惠更斯超表面可以实现很高的透射率，但对结构尺寸非常敏感，对现代工艺具有极大的挑战。而用介质结构代替金属结构以及优化结构参数，可以消除欧姆损失，从而进一步提高反射式超表面的效率。同时可以利用比较成熟的半导体制作工艺来制作介质超表面，因此有利于实现高透射、低损失、具有兼容性的光学器件。

目前，也有超透镜使用多层结构实现双波长和三波长色差的消除。虽然这一策略取得了成功，但它增加了光学系统的重量、复杂性和成本，极大地限制了它们的使用。然而，这些超透镜都受限于偏振依赖性，它们只能聚焦圆偏振光。因此，最近的研究主要集中在可见光和近红外的偏振不敏感消色差超透镜的设计上。然而，如何设计一种不受偏振影响的消色差超透镜来消除中红外波段的色差效应仍然是一个巨大的挑战。

发明内容

本发明的主要技术目的是提出一种基于介质超表面的偏振非依赖宽带消色差器件，工作波段在中红外波段3.7-4.7μm，从而实现了偏振非依赖的宽带消色差功能。为了展示提出原理的通用性，还研究了在相同波长区域中数值孔径(NA)为0.38的消色差偏振不敏感 axilens。

本发明是基于介质超表面的偏振非依赖宽带消色差器件，超表面结构包括高折射率的上层介质单圆柱、环形柱、同心柱和下层低折射率的介质基底，通过结构对称和传播相位相结合的方法分别来控制线偏振光的波前和消除色差，并合理裁剪尺寸构建超表面阵列，通过对探测面的线偏振光，即线偏振光能量的提取和处理，分析器件的消色差特性。

上述设计的器件适用的波长范围是3.7-4.7μm，入射的中心波长为4.2μm。上述超表面使用的介质矩形块为硅块，厚度为4.5μm，基底为氟化钙，厚度为3μm。利用传播相位的原理选择不同原型的柱控制入射线偏振光的波前，使之满足双曲线相位(梯度相位)剖面，从而在选定的中心波长处能实现聚焦(偏转)；同时，利用传播相位作为补偿相位，保证在选取波长范围内，传播相位与波长的倒数呈线性关系，从而消除在中心波长外的波长处的色差效应，即通过选择不同的柱形来获得需要的不同补偿相位值，通过这种结构选择与传播相位相结合的方法实现了在中红外波段的偏振非依赖宽带消色差器件。

由于采用本发明的区别特征发明点而带来的本发明比现有技术显著进步的有益效果如下：