基于全局调控原理的平面超透镜及其设计方法技术

本发明专利技术提供一种基于全局调控原理的平面超透镜的设计方法，包括预先设定拓扑荷数、预期焦距和平面超透镜的直径数据设计平面超透镜的结构图案；选取基底和金属层的材料，其中基底的材料为对光具有完全透射特性的透光材料，金属层的材料为对光具有全反射或全吸收特性的金属材料；根据平面超透镜的直径，制造适应尺寸的基底层，并在基底层上沉积金属层；在金属层上刻蚀出所设计的平面超透镜的结构图案，使金属层上的图案的孔型光栅阵列部分为完全透光，其余部分为完全挡光，获得平面超透镜。获得平面超透镜。获得平面超透镜。

【技术实现步骤摘要】
基于全局调控原理的平面超透镜及其设计方法


[0001]本专利技术涉及光电子
，更具体地说是一种基于全局调控原理的平面超透镜及其设计方法。

技术介绍

[0002]透镜，作为光学系统中重要组成部分，其结构的设计和性能的提升受到研究人员的广泛关注。然而，传统的光学透镜以及菲涅尔透镜受限于其物理机制，体积较大，功能单一，无法满足现代光学系统中对光学器件小型化、集成化、多性能化的要求。为了解决这一问题，研究者基于超构表面设计了能实现透镜功能的器件，即超透镜(metalens)。超透镜是由亚波长尺度的人工单元结构阵列所组成，通过光与单元结构之间的局部相互作用，将入射光的波前分成若干个子波源以实现相位调制，从而实现聚焦等透镜的功能。它具有超薄的厚度、体积小和多维度调控等优势。超透镜的提出，为微纳集成光学系统中对光场进行调控提供了新的思路。
[0003]目前，超透镜的设计都是由亚波长散射体对光的共振和非共振效应实现的局部相位调控。共振效应型超透镜是设计谐振腔结构，通过表面等离子体共振或米氏共振引起相位的突变。但是，共振效应与波长相关，因此，基于这一原理设计的超透镜只能在窄波段范围内工作；传播相位或几何相位法等非共振效应型的超透镜能够有效的扩展工作带宽。对于传播相位型的超透镜，需要设计单元结构具有很大的纵横比以此满足积累相位的变化来改变光波的波前。对于几何相位型超透镜，是通过纳米结构单元的旋转角度与相位的关系来调控波前，其性能强烈依赖于单元结构的精确旋转角度以及入射光的偏振态。这一方法对入射光具有模式选择，只能调控特定偏振或拓扑态的入射光，需要引入额外的光学器件对光源进行预处理；基于几何相位和传播相位调制的混合型超构透镜，结合了两种调控机制的优势，然而这样的透镜结构设计更加复杂，加工难度及成本更大。
[0004]综上所述，在平面超透镜的设计中，还存在以下几个不足：
[0005](1)目前的超透镜的研究都是从超表面出发，基于单元结构的局部调控,这使得超透镜是一种局部调控元件，在局部单元和整体间缺乏明确的联系。所有的方法都不可避免的涉及对单个微纳结构的几何形貌、尺寸以及空间排布的设计组合，需要设计一个合理的周期和纳米单元结构相对应,使得光波在结构单元中的散射只是局部效应,散射单元之间的耦合与串扰作用才可以忽略。其设计到制造的过程都比较复杂，加工工艺要求严苛，这使得超透镜的成本高，极大限制了其应用产业化的发展；
[0006](2)超表面阵列中的每个单元结构都对入射光的调控响应发挥着重要的作用，因此单一的超透镜无法实现对任意的复杂结构光场进行调控，固定结构后只能对特定模式的光产生作用；
[0007](3)虽然可重构的超表面为实现多功能超透镜提供了可能，但目前的单一超透镜的功能仍然较为局限，难以实现多功能平面超透镜。

技术实现思路

[0008]有鉴于此，本专利技术的第一目的在于提供一种基于全局调控原理的平面超透镜的设计方法，通过对透镜结构图案进行整体设计，实现对任意空间相位和偏振结构的空间结构光束进行聚焦调控。
[0009]基于相同的专利技术构思，本专利技术的第二个目的在于提供一种基于全局调控原理的平面超透镜。
[0010]本专利技术的第一个目的可以通过采取如下技术方案达到：
[0011]一种基于全局调控原理的平面超透镜的设计方法，包括以下步骤：
[0012]根据预先设定的拓扑荷数、预期焦距和平面超透镜的直径数据设计平面超透镜的结构图案，所述结构图案包括多个非周期分布的孔型光栅阵列；
[0013]选取基底和金属层的材料，其中基底的材料为对光具有完全透射特性的透光材料，金属层的材料为对光具有全反射或全吸收特性的金属材料；
[0014]根据平面超透镜的直径，制造适应尺寸的基底层，并在基底层上沉积金属层；
[0015]在金属层上刻蚀出所设计的平面超透镜的结构图案，使金属层上的图案的孔型光栅阵列部分为完全透光，其余部分为完全挡光，获得平面超透镜。
[0016]进一步的，所述沉积金属层的沉积厚度不大于十分之一工作波长。
[0017]进一步的，所述基底材料为玻璃，金属层材料为金。
[0018]进一步的，所述预先设定的根据拓扑荷数、预期焦距和平面超透镜的直径，设计平面超透镜的结构图案，包括：
[0019]将拓扑荷数相关的角度余弦波作为参考光，与携带预期焦距信息的球面波干涉，得到振幅全息图；
[0020]使用透过率函数表示振幅全息图，使用与振幅相关的阈值截断函数对透过率函数进行处理，得到拓扑荷数相关、携带预期焦距信息的透过率函数表达式；
[0021]计算透过率函数表达式所对应的图案，得到平面超透镜的结构图案。
[0022]进一步的，所述拓扑荷数相关的角度余弦波具有沿方位角的余弦周期轮廓(圆形光栅)，其表达式为cos(mθ)，其中m为非零整数，表示角度余弦波振荡频率的拓扑荷数，θ为方位角。
[0023]进一步的，所述携带预期焦距信息的球面波的表达式为其中为球面波前的相位分布，表达式为的相位分布，表达式为的表达式中，λ为工作波长，x、y是球面波前的空间坐标，z
f
是预期焦距。
[0024]进一步的，使用透过率函数表示振幅全息图，使用与振幅相关的阈值截断函数对透过率函数进行处理，得到拓扑荷数相关、携带预期焦距信息的透过率函数表达式，包括：
[0025]设t(x,y)表示振幅全息图在(x,y)位置处的透过率函数，则可表示为：
[0026][0027]定义一个与幅度相关的阈值截断函数q(x，y)，q＝arcsin(A(x，y))/π，其中A(x，y）为偏置函数，能够调整入射幅度的非均匀分布。利用Signal符号函数，将小于和大于阈值的t(x，y)的值分别设置为等于0和1，即：
[0028][0029]因为全息图是由横向平面上两个波的干涉产生的，基于傍轴近似条件，简化为：
[0030][0031]经过整理推导后，透过率函数表达式为：
[0032][0033]本专利技术的第二个目的可以通过采取如下技术方案达到：
[0034]一种基于全局调控原理的平面超透镜，包括：
[0035]金属层，由对光具有全反射或全吸收特性的金属材料制作，具有包括多个非周期分布的孔型光栅阵列的结构图案；所述结构图案携带超透镜的焦距信息；所述结构图案中，孔型光栅阵列部分为完全透光，其余部分为完全挡光；
[0036]基底，由对光具有完全透射特性的透光材料制作，用于承载金属层。
[0037]进一步的，所述基底为玻璃基底，所述金属层为金膜，所述金膜的厚度不大于十分之一工作波长。
[0038]进一步的，所述结构图案是具有旋转对称性以及轴对称性的多个非周期分布的孔型光栅阵列。
[0039]进一步的，所述结构图案由以下方法获得：
[0040]将拓扑荷数相关的角度余弦波作为参考光，与携带预期焦距信息的球面波干涉，得到振幅全息图；所述角度余弦波的表达式为cos(mθ)，其中m本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于全局调控原理的平面超透镜的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：根据预先设定的拓扑荷数、预期焦距和平面超透镜的直径数据设计平面超透镜的结构图案，所述结构图案包括多个非周期分布的孔型光栅阵列；选取基底和金属层的材料，其中基底的材料为对光具有完全透射特性的透光材料，金属层的材料为对光具有全反射或全吸收特性的金属材料；根据平面超透镜的直径，制造适应尺寸的基底层，并在基底层上沉积金属层；在金属层上刻蚀出所设计的平面超透镜的结构图案，使金属层上的图案的孔型光栅阵列部分为完全透光，其余部分为完全挡光，获得平面超透镜。2.根据权利要求1所述的基于全局调控原理的平面超透镜的设计方法，其特征在于，所述沉积金属层的沉积厚度不大于十分之一工作波长。3.根据权利要求1所述的基于全局调控原理的平面超透镜的设计方法，其特征在于，所述基底材料为玻璃，金属层材料为金。4.根据权利要求1
‑
3任意一项所述的基于全局调控原理的平面超透镜的设计方法，其特征在于，所述根据预先设定的拓扑荷数、预期焦距和平面超透镜的直径，设计平面超透镜的结构图案，包括：将拓扑荷数相关的角度余弦波作为参考光，与携带预期焦距信息的球面波干涉，得到振幅全息图；使用透过率函数表示振幅全息图，使用与振幅相关的阈值截断函数对透过率函数进行处理，得到拓扑荷数相关、携带预期焦距信息的透过率函数表达式；计算透过率函数表达式所对应的图案，得到平面超透镜的结构图案。5.根据权利要求4所述的基于全局调控原理的平面超透镜的设计方法，其特征在于，所述拓扑荷数相关的角度余弦波具有沿方位角的余弦周期轮廓，其表达式为cos(mθ)，其中m为非零整数，表示角度余弦波振荡频率的拓扑荷数，θ为方位角。6.根据权利要求4所述的基于全局调控原理的平面超透镜的设计方法，其特征在于，所述携带预期焦距信息的球面波的表达式为其中为球面波前的相位分布，表达式为为球面波前的相位分布，表达式为的表达式中，λ为工作波长，x、y是球面波前的空间坐标，z
f
是预期焦距；设振幅全息图在(x,y)位置处的透过率函数t(x,y)为：定义一个与幅度相关的阈值截断函数q(x，y)，q＝arcsin(A(x，y))/π；其中A(x...

【专利技术属性】
技术研发人员：付神贺，张薪，呼燕文，马子显，陈振强，李真，尹浩，
申请(专利权)人：暨南大学，
类型：发明
国别省市：