[发明专利]一种嵌入式结构可调短波段共焦纵向双焦点超透镜

说明书

本发明提出一种嵌入式结构可调短波段共焦纵向双焦点超透镜，首先在实现采样精度高而要求周期小的情况下，对结构单元采用1：1的嵌入式比例，可以降低深宽比的限制。根据广义斯涅尔定律求解出不同空间位置的相位，构建超透镜。数值分析表明在λ＝600nm线偏振光时，焦距偏差约为2.2％，焦点半高全宽(FWHM)打破了衍射极限，具有高精度要求。在650～550nm下，焦距最大误差2.39um，因为焦深的存在，误差可以忽略；在波长550nm处出现明显纵深强度相当的双焦点；在550～490nm处表现处一个数值孔径更大、FWHM仅为0.5um的强度可调的焦点。因此本设计的超透镜可以实现消高宽比、纵向双焦点聚焦、强度可控、短波段共焦的特性，可应用在彩色成像，光路复用，透镜聚焦集成器件上。

技术领域

本发明涉及纵向双焦点，短波段聚焦，彩色成像邻域，特别是一种嵌入式结构可调短波段共焦纵向双焦点超透镜设计。

背景技术

传统的聚焦透镜对光线的调控依赖于沿着光路的相位积累，因此会受到自然材料折射率的限制。此外，对制造工艺的要求也会很高，想要加工高精度的透镜十分困难。

自从上20世纪90年代以来，随着半导体制造工艺的精度逐渐小于波长，亚波长下光与物质的相互作用进一步成为研究热门，以超表面为代表的二维平面亚波长调制技术逐渐步入了人们的视野。光学超表面主要是指具有超薄厚度的纳米结构组成的二维超材料，组成超表面的纳米结构可以是孔、缝或突起等结构。光学超表面可通过纳米结构单元与光的相互作用进而在亚波长范围内调控光的振幅、相位、偏振以及透射谱。超薄厚度、便于制作、易于集成以及全域光场控制的优势使光学超表面在彩色滤波、偏振转换、波前调控和异常透射与反射等方面得到广泛应用。

超表面的优越特性吸引了国内外学者的极大兴趣，其概念最早由Yu等提出，他们提出了一种V形纳米天线组成的超表面，通过改变天线的开口方向可以实现对圆偏振光的调控，并提出了广义斯涅尔定律来解释。2020年，赵鹏九提出基于偏振响应的双焦点超表面透镜设计，对一组正交偏振态入射光分别独立控制，利用左右旋偏振光产生不同的纵向双焦点，而光源圆偏振光的产生需要在线偏振光前加1/4波片，产生了实践的复杂性；2021年，徐碧洁提出一种近红外波长超透镜的设计与仿真，使用时域有限差分FDTD软件设计仿真了工作波长为800nm的硅基偏振不敏感超透镜，镜头厚度小于0.5mm，数值孔径为0.41时聚集效率为75％；2022年，罗文峰等人提出双波长偏振控制超表面透镜的设计，在可见光690nm和近红外光880nm处采用传播相位设计了偏振复用的透射型超表面透镜，同轴双焦点的产生需要二个不同波长光的入射；同年，孙倜提出一种基于单片式全介质空间复用超透镜的宽带全斯托克斯偏振光谱成像装置，这是一种横向空间复用的超透镜设计，可以实现各种偏振光的转换。