一种双波长消色差偏振无关超构透镜设计方法及超构透镜技术

本发明专利技术实施例提供一种基于PB相位的远红外双波长消色差偏振无关超构透镜，采用分振幅的方式，使每个超构原子同时对左旋圆偏振光和右旋圆偏振光进行聚焦。基于PB相位的调控机理，一个长度较短的矩形纳米柱调控10.6μm波长的光聚焦，一个长度较长的矩形纳米柱调控12μm波长的光聚焦，从而实现消色差功能，最终形成了“X”型超构原子；以解决现有技术中由于制作工艺的限制，基于传输型相位的调控会受超构原子的纵横比大小限制，使得补偿相位大小有限，难以同时实现超构透镜的大透镜尺寸和宽带消色差的问题。消色差的问题。消色差的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种双波长消色差偏振无关超构透镜设计方法及超构透镜


[0001]本专利技术实施例涉及光学
，尤其涉及一种双波长消色差偏振无关超构透镜设计方法及超构透镜。

技术介绍

[0002]超构表面是一种由人造亚波长尺寸的超构原子或超构分子组成的二维平面结构，通过巧妙地引入相位突变实现了对电磁波的振幅、相位、偏振等光学性质的调控。不同于基于相位积累来实现电磁波波前调控的传统光学器件，超构表面具有超薄、超轻、易于集成等优点。近年来，人们设计了许多基于超构表面的光学器件，例如全息、涡旋光发生器、光束整形器、超构透镜]等等。其中，超构透镜因其贴合人们生产生活需求而引起了人们的广泛关注。
[0003]在超构透镜的设计中，偏振是人们关注的焦点之一。然而，目前报道的许多超构透镜是偏振相关的。显然，偏振相关的超构透镜会限制其应用。幸运的是，目前人们提出了多种实现偏振无关功能的方法。一种比较直观易理解的方式是从超构原子的对称性出发，选用圆形、正方形等具有C4对称和镜像对称的纳米柱作为超构原子。另外一种实现偏振无关功能的方式是采用分区域的方法，由于任何一束光可以分解为两个正交偏振的光，因此可以将超构透镜分成两种区域，一种区域利用PB相位调控右旋圆偏振光(RCP)聚焦，另一种区域利用PB相位调控左旋圆偏振光(LCP)聚焦。另外，有研究人员采用分振幅的方法，基于PB相位的原理，使同一个超构原子同时调控左旋圆偏振光和右旋圆偏振光聚焦。与分区域的方式相比，分振幅的方式能更灵活地调控两正交偏振光的分量大小。
[0004]在多波长消色差偏振无关超构透镜的设计中，色差是一个不可避免的重要的问题。近年来，人们提出了多种同时满足消色差和偏振无关的方法。有研究组以圆柱作为超构原子，采用分区域的方式进行消色差，将超构透镜划分为多个区域，一部分区域只对一个波长进行聚焦调控，从而实现多波长消色差聚焦功能。另外一些研究组采用正方形结构作为超构原子，通过参数扫描等方式寻找结构，使该结构满足所需要的补偿相位函数，实现了窄带消色差偏振无关超构透镜。另外一种设计思路是先利用几何相位提供基础的相位分布，使超构原子旋转0
°
和90
°
(或45
°
和135
°
)，随后使用传输相位补偿色差实现偏振无关消色差功能。
[0005]在以上的消色差偏振无关超构透镜的设计中，无论是采用C4对称性结构作为超构原子，还是利用几何相位提供基础相位分布，最终都需要传输相位来补偿色差。然而由于制作工艺的限制，基于传输型相位的调控会受超构原子的纵横比大小限制，使得补偿相位大小有限，难以同时实现超构透镜的大透镜尺寸和宽带消色差。

技术实现思路

[0006]本专利技术实施例提供一种双波长消色差偏振无关超构透镜设计方法及超构透镜，以解决现有技术中由于制作工艺的限制，基于传输型相位的调控会受超构原子的纵横比大小
限制，使得补偿相位大小有限，难以同时实现超构透镜的大透镜尺寸和宽带消色差的问题。
[0007]第一方面，本专利技术实施例提供一种双波长消色差偏振无关构透镜设计方法，包括：
[0008]步骤S1、将第一各向异性纳米柱和第二各向异性纳米柱分别绕各自中心旋转后形成超构原子，所述第一各向异性纳米柱和所述第二各向异性纳米柱的长度不同，所述超构原子包括十字型超构原子和一字型超构原子；
[0009]步骤S2、确定所述超构原子中第一各向异性纳米柱的第一相位信息和第二各向异性纳米柱的第二相位信息，基于双波长消色差偏振无关构透镜的目标工作波长、目标焦距确定双波长消色差偏振无关构透镜每一点的相位信息；
[0010]步骤S3、将若干所述超构原子阵列设于衬底上，形成初始的双波长消色差偏振无关构透镜；基于所述双波长消色差偏振无关构透镜的相位信息确定目标半径、目标焦距下的双波长消色差偏振无关构透镜中，十字型超构原子和一字型超构原子的个数；
[0011]步骤S4、基于双波长消色差偏振无关构透镜的目标焦距和实际焦距确定超双波长消色差偏振无关构透镜每一点的相位信息的相位补偿。
[0012]作为优选的，所述第一各向异性纳米柱携带目标工作波长λ1＝10.6μm的第一相位信息所述第二各向异性纳米柱携带目标工作波长λ2＝12μm的第二相位信息其中：
[0013][0014]上式中，f为超双波长消色差偏振无关构透镜的相位信息的目标焦距，(x,y)空间中任一点；所述第一各向异性纳米柱的长L1＝2.4μm，宽W1＝0.9μm；所述第二各向异性纳米柱的长L2＝3.1μm，宽W1＝0.9μm；所述第一各向异性纳米柱和所述第二各向异性纳米柱叠加后形成的X型超构原子的高度为6.8μm；X型超构原子的周期P＝6μm。
[0015]作为优选的，所述步骤S2中，在右旋圆偏振光RCP入射情况下，目标工作波长为λ，目标焦距为f的超双波长消色差偏振无关构透镜，其空间每一点(x,y)的相位分布函数为：
[0016][0017]在左旋圆偏振光RCP入射情况下，超双波长消色差偏振无关构透镜的相位分布函数为：
[0018][0019]基于偏振光由一组正交圆偏振光组成原理，基于PB相位的超双波长消色差偏振无关超构透镜的相位分布函数变形为：
[0020][0021]在平行光入射情况下，超双波长消色差偏振无关超构透镜上每个位置的透射电场强度为：
[0022][0023]其中，j为虚数符号，B为透射光的振幅。
[0024]作为优选的，所述步骤S1中，X型超构原子的琼斯矩阵为：
[0025][0026]上式中，t
l
和t
s
分别为第一各向异性纳米柱的长轴和短轴的透射系数；t
l
’
和t
s
’
分别为第二各向异性纳米柱的长轴和短轴的透射系数；θ1为第一各向异性纳米柱绕中心旋转的角度，θ2为第二各向异性纳米柱绕中心旋转的角度；
[0027]将X型超构原子的琼斯矩阵简化为：
[0028][0029][0030]在RCP入射情况下，X型超构原子的透射电场为：
[0031][0032]上式中，表示RCP，表示LCP。
[0033]作为优选的，所述步骤S3还包括：
[0034]确定由X型超构原子组成的双波长消色差偏振无关构透镜中每一点的透射电场强度：
[0035][0036]B(λ1)和B(λ2)分别为在波长λ下第一各向异性纳米柱和第二各向异性纳米柱的透射光振幅。
[0037]作为优选的，所述步骤S4中，对第一各向异性纳米柱的相位分布后增加一个相位补偿C：
[0038][0039]所述相位补偿取值C为0
°
或180
°
。
[0040]作为优选的，所述第一各向异性纳米柱和第二各向异性纳米柱的旋转角度为90
°
的整数倍，以形成十字型超构原子和一字型超构原子，所述双波长消色差偏振无关构透镜包括205个一字型超构原子和本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种双波长消色差偏振无关构透镜设计方法，其特征在于，包括：步骤S1、将第一各向异性纳米柱和第二各向异性纳米柱分别绕各自中心旋转后形成超构原子，所述第一各向异性纳米柱和所述第二各向异性纳米柱的长度不同，所述超构原子包括十字型超构原子和一字型超构原子；步骤S2、确定所述超构原子中第一各向异性纳米柱的第一相位信息和第二各向异性纳米柱的第二相位信息，基于双波长消色差偏振无关构透镜的目标工作波长、目标焦距确定双波长消色差偏振无关构透镜每一点的相位信息；步骤S3、将若干所述超构原子阵列设于衬底上，形成初始的双波长消色差偏振无关构透镜；基于所述双波长消色差偏振无关构透镜的相位信息确定目标半径、目标焦距下的双波长消色差偏振无关构透镜中，十字型超构原子和一字型超构原子的个数；步骤S4、基于双波长消色差偏振无关构透镜的目标焦距和实际焦距确定超双波长消色差偏振无关构透镜每一点的相位信息的相位补偿。2.根据权利要求1所述的双波长消色差偏振无关构透镜设计方法，其特征在于，所述第一各向异性纳米柱携带目标工作波长λ1＝10.6μm的第一相位信息所述第二各向异性纳米柱携带目标工作波长λ2＝12μm的第二相位信息其中：上式中，f为超双波长消色差偏振无关构透镜的相位信息的目标焦距，(x,y)空间中任一点；所述第一各向异性纳米柱的长L1＝2.4μm，宽W1＝0.9μm；所述第二各向异性纳米柱的长L2＝3.1μm，宽W1＝0.9μm；所述第一各向异性纳米柱和所述第二各向异性纳米柱叠加后形成的X型超构原子的高度为6.8μm；X型超构原子的周期P＝6μm。3.根据权利要求2所述的双波长消色差偏振无关构透镜设计方法，其特征在于，所述步骤S2中，在右旋圆偏振光RCP入射情况下，目标工作波长为λ，目标焦距为f的超双波长消色差偏振无关构透镜，其空间每一点(x,y)的相位分布函数为：在左旋圆偏振光RCP入射情况下，超双波长消色差偏振无关构透镜的相位分布函数为：基于偏振光由一组正交圆偏振光组成原理，基于PB相位的超双波长消色差偏振无关超构透镜的相位分布函数变形为：在平行光入射情况下，超双波长消色差偏振无关超构透镜上每个位置的透...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴立军，朱彦霖，冯前斌，陈浩瀚，陈俊逸，李强，吴晓松，
申请(专利权)人：广州科易光电技术有限公司，
类型：发明
国别省市：