[发明专利]一种基于空间复用的可见光波带消色差超透镜设计方法

说明书

本发明公开了一种基于空间复用的可见光波带消色差超透镜设计方法，其步骤包括：S1、设置超透镜的仿真方式及仿真条件，S2、设置超透镜的仿真方式及仿真条件，S3、计算各纳米柱的理想相位，S4、基于菲涅尔波带空间复用法对超透镜进行单波长透镜纳米柱填充，S5、利用二维粒子群算法求取参数C的最优解；该方法利用双波长菲涅尔波带空间复用的方法，不仅实现了双波长的消色差，同时实现了整个波长范围的消色差，且设计的超透镜设计简单，带宽范围大，且基于利用传输相位设计而成具有偏振不敏感性，为其他超表面器件设计提供了参考。

技术领域

本发明涉及超表面技术超透镜设计领域，特别涉及一种基于空间复用的可见光波带消色差超透镜设计方法。

背景技术

超表面是由一系列亚波长单元组成的结构，具有强大的光场调控能力。通过精细设计单元结构的尺寸、旋转角度等，改变电磁波的相位、振幅、偏振；因此，超表面能够灵活调控波前同时将光学器件的大小控制在亚波长量级，在各个领域迅速发展，被广泛运用于透镜、全息、波片、涡旋光等多个领域。作为超表面重要的应用之一，超透镜打破了传统透镜的约束，通过各个光路连续的光程累加使光线聚焦在某一点；同时，超透镜将尺寸控制在亚波长量级，为光学系统的小型化、微型化、集成化提供了可能。然而，超透镜会受到色差的影响，即随着入射波长的增大，焦距变小；而色差的影响导致透镜无法将不同波长的光聚焦到同一平面上，进而出现成像模糊和颜色失真的现象，而纠正宽带区域的色差是实现全彩成像的基础。由于很难在单一超表面上同时构建不同波长的相位轮廓，因此设计能在一定带宽内产生单一焦距的消色差的透镜是很大的挑战。

目前有采用空间多路复用、传播相位与几何相位相结合、利用介质耦合共振等方法实现消除色差。2019年，Ren Jielin等人利用GaN纳米天线实现了400-640nm的消色差构建超透镜阵列，捕获光场信息实现全光相机。利用60×60的超透镜阵列，使其具有不同的焦点，能够重建空间场景，复原不同景深下的物体。2019年，Zhi-Bin Fan等人实现了430-780nm波段的宽波带消色差。利用多种不同形状的氮化硅，通过线性拟合找出相位与频率呈需要的线性变化的10种结构，使有效折射率不随频率发生变化。最终实现了宽波带消色差，建立60×60的透镜阵列，用于白光成像。但是这种构建大相位库的方法利用了多种单元结构，给加工制备也带来了挑战。2020年，Feng Tang等人利用硅纳米柱通过多路复用实现长波红外条件下双波长聚焦，通过8um和12um波长单元结构交错排列，构建了直径为0.4mm的双波长消色差透镜和双焦点透镜。但是该方法只实现了三个波长的聚焦。

BAEK S等人提出了一种通过可见光波长的空间复用的多波长金属透镜，其利用空间交错法和对称线性阵列两种方法对TiO₂单元结构进行排列；其中，空间交错排列法为三个波长对应的纳米结构交替放置，以满足三波长消色差的要求；对称线性阵列排列法为在每行放置不同波长对应的单元结构且中心对称。利用这两种方法都实现了三个波长的消色差。但是该方法只实现了三个波长的聚焦。

LI Y等人提出了一种用于超小型双光子激发STED显微成像的单层多任务涡旋金属透镜，其单元结构由材料为c-Si的纳米柱和材料为SiO₂六边形基底组成，将超透镜区域分为36个扇形区，其中蓝色扇形区对应1050nm泵浦光对应的结构，橙色区域对应599nm的耗尽光(涡旋光)对应的单元结构。最终将两个波长都聚焦到10um处。但是该方法只实现了两个波长的聚焦。

FAN Z B等人提出了一种用于可见光整体成像的宽带消色差金属阵列，其以实现消色差设计从实现零材料色散的原理出发；想要实现消色差，即材料零色散，不同波长的有效折射率为定值；因此通过选择合适的结构，使其满足有效折射率为定值，在相同位置处，相位随频率线性增加，具体为通过选择多种中心对称结构，扩大筛选范围；而后经过线性拟合后，获得与频率无关的有效折射率及其对应的结构参数，进而最终选择了10种不同的氮化硅结构，实现了430～780nm的消色差。但是该方法利用了多种不同的纳米结构，给加工制备带来了挑战。