基于介质结构的偏振无关超表面设计方法及超表面透镜技术

本发明专利技术涉及微纳光学及光学芯片集成领域，具体涉及一种基于介质结构的偏振无关超表面设计方法以及包含该超表面结构的超表面透镜；超表面设计方法包括步骤：S1、构建对应多个波长且能够覆盖0～2π传输相位的单元结构数据库，获得传输相位数据；S2、通过全息图的叠加原理，计算超表面结构的理想相位分布计算超表面结构的理想相位分布；S3、将步骤S2中得到的理想相位分布与步骤S1中得到的传输相位数据进行匹配，将相位之间的差异作为目标评价函数进行优化，用最终得到的结构参数排成超表面结构；本发明专利技术超表面结构可以在同一视场实现阵列多波长复用，相比多个超透镜拼接避免了对入射光分束以及多波长的色差影响等，具有极大的应用前景。用前景。用前景。

【技术实现步骤摘要】
基于介质结构的偏振无关超表面设计方法及超表面透镜


[0001]本专利技术涉及微纳光学及光学芯片集成领域，具体涉及一种基于介质结构的偏振无关超表面设计方法以及包含该超表面结构的超表面透镜。

技术介绍

[0002]阵列光束由于具有快速、并行和同时处理的优点，在成像和光通信等领域均有着广泛的应用。对于通信领域，阵列的涡旋光束不仅可以提高信息的安全性，同时也可以提高信息的容量；轨道角动量所携带的拓扑荷以及环状的光强分布可以给微小的粒子提供扭力矩以及梯度力，可以应用于微观粒子的操控，而阵列的涡旋光束则可以同时捕获更多的粒子，并通过波长复用等功能的加载，改变捕获粒子的分布及模式；在成像领域，多路复用的聚焦光束更方便我们对不同通道光束的调控和对比，对简化成像系统有着重大意义。
[0003]目前，阵列光束的生成主要采用分束器、透镜阵列、衍射光学元件等，将入射光束分成多束，在成像和光通信等领域均有着广泛的应用。然而光学元件的制造工艺通常非常复杂，相应的光学系统也比较庞大，给结构的小型化带来了困难，限制了其在集成光学领域的应用，同时对于一些复杂的应用领域，光学元件的不可调制，也限制了其应用的灵活性。近年来，基于超表面领域的研究吸引了大批研究人员的目光。
[0004]超表面是由亚波长结构组成的周期或非周期阵列，通过控制单元结构的几何参数来获得相应的光学响应，从而实现对入射电磁波的调控。与传统的光学透镜相比，超表面引入了突变相位，不再依赖于传播过程当中的相位累积，且超表面更具有小型化、易操控等优势，目前已相继实现了平面透镜、结构光束生成器、光学全息以及偏振控制等功能。
[0005]针对阵列光束功能的实现，在2016年，M.Q.Mehmood等利用空间多路复用生成了多聚焦涡旋光束，2019年，HAORAN LV等提出了一种多焦点金属亚波长光栅的光学超表面超透镜，然而大多数超表面阵列光束的实现仍依赖于基于偏振光的几何相位结构，为进一步提高能量效率、简化光学系统，特别是用于非偏振光源时，我们则需要设计一种偏振无关的全息超表面。例如，荧光标记的单分子检测技术，特别是多色单分子荧光阵列和生物分子手性等研究，对多色非偏振阵列聚焦光束的需求显著。此外，光通信、光粒子操控等需要高能量密度涡旋光束，偏振无关全息涡旋光阵列光束将具有显著优势。

技术实现思路

[0006]本专利技术为解决上述问题，提供一种基于介质结构的偏振无关多波长多焦点超表面设计方法。
[0007]本专利技术提供一种基于介质结构的偏振无关超表面设计方法，所述超表面设计方法包括步骤：
[0008]S1、构建对应多个波长且能够覆盖0～2π传输相位的单元结构数据库，获得传输相位数据；
[0009]S2、通过全息图的叠加原理，计算超表面结构的理想相位分布如下：
[0010]Φ(x,y,λ)＝arg(E(x,y,λ))；
[0011]Φ(x,y,λ)表示不同波长全息超表面的理想相位，x,y表示超透镜上所述单元结构的位置坐标，E表示干涉后的振幅分布，λ表示波长；
[0012]S3、将步骤S2中得到的理想相位分布与步骤S1中得到的传输相位数据进行匹配，将相位之间的差异作为目标评价函数进行优化，用最终得到的结构参数排成超表面结构。
[0013]优选的，所述S2中，通过全息图的叠加原理叠加到一起的聚焦光束阵列复振幅分布的公式为：
[0014][0015](x
m
,y
n
)表示各个焦斑相对于透镜中心的横纵坐标，f表示焦面相对于透镜的轴向距离，A
mn
表示相应焦斑的振幅分布。
[0016]优选的，所述S2中，通过全息图的叠加原理叠加到一起的聚焦涡旋光束阵列复振幅分布的公式为：
[0017][0018](x
m
,y
n
)表示各个焦斑相对于透镜中心的横纵坐标，f表示焦面相对于透镜的轴向距离，A
mn
表示相应焦斑的振幅分布，e表示指数。
[0019]优选的，所述多个波长中每个波长之间的波长差值不小于100nm。
[0020]优选的，所述构建对应多个波长且能够覆盖0～2π传输相位的单元结构数据库包括通过任意方向的线偏振光扫描不同半径值的单元结构，获得所述单元结构的传输相位数据。
[0021]优选的，所述线偏振光扫描的波长范围为80nm～310nm。
[0022]优选的，所述单元结构包括上层结构和下层结构，所述上层结构为介质纳米柱，所述下层结构为介质衬底；所述介质纳米柱为圆柱结构；所述介质衬底为正方体结构。
[0023]优选的，所述将步骤S2中得到的理想相位分布与步骤S1中得到的传输相位数据进行匹配通过遗传算法实现。
[0024]优选的，所述目标评价函数的计算公式如下：
[0025][0026]表示从数据库中随机选取的实际相位，代表由步骤S2中公式计算得到的理想相位，则表示每个波长相位拟合差异的总和，β表示基于模拟结果对不同波长目标函数调节的权重因子；C(λ)表示一个只和波长有关的常量相位。
[0027]本专利技术还提供一种超表面透镜，所述超表面透镜包括超表面结构，所述超表面结构通过上述的超表面设计方法设计得到。
[0028]本专利技术通过将遗传算法和相位型计算全息的方法相结合，给出一种波长复用的多通道阵列光束发生器，通过调节入射光的波长就可以实现阵列光束重构，并且通过利用结构本身的传输相位，因此该结构具备偏振不敏感的特性；通过本专利技术的设计方法设计得到的超表面结构可以在同一视场实现阵列多波长复用，相比多个超透镜拼接避免了对入射光分束以及多波长的色差影响等，具有极大的应用前景。
附图说明
[0029]图1是本专利技术一种实施例中单元结构在RGB三种波长下的相位分布图；
[0030]图2是本专利技术一种实施例中超表面透镜中单元结构示意图；
[0031]图3是本专利技术一种实施例中表示B、G、R三个波长焦面的聚焦光束阵列的归一化光强分布；
[0032]图4是本专利技术一种实施例中超表面透镜结构的俯视图；
[0033]图5是本专利技术另一种实施例中表示B、G、R三个波长焦面的聚焦涡旋光束阵列的归一化光强分布；
[0034]图6是本专利技术另一种实施例中超表面透镜结构的俯视图。
具体实施方式
[0035]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，而不构成对本专利技术的限制。
[0036]本专利技术具体实施方式中提供一种基于介质结构的偏振无关超表面设计方法，所述超表面设计方法包括步骤：
[0037]S1、构建对应多个波长且能够覆盖0～2π传输相位的单元结构数据库，获得传输相位数据；
[0038]S2、通过全息图的叠加原理，计算超表面结构的理想相位分布如下：
[0039]Ф(x,y,λ)＝arg(E(x,y,λ))；本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于介质结构的偏振无关超表面设计方法，其特征在于，所述超表面设计方法包括步骤：S1、构建对应多个波长且能够覆盖0～2π传输相位的单元结构数据库，获得传输相位数据；S2、通过全息图的叠加原理，计算超表面结构的理想相位分布如下：Ф(x,y,λ)＝arg(E(x,y,λ))；Φ(x,y,λ)表示不同波长全息超表面的理想相位，x,y表示超透镜上所述单元结构的位置坐标，E表示干涉后的振幅分布，λ表示波长；S3、将步骤S2中得到的理想相位分布与步骤S1中得到的传输相位数据进行匹配，将相位之间的差异作为目标评价函数进行优化，用最终得到的结构参数排成超表面结构。2.如权利要求1所述的超表面设计方法，其特征在于，所述S2中，通过全息图的叠加原理叠加到一起的聚焦光束阵列复振幅分布的公式为：(x
m
,y
n
)表示各个焦斑相对于透镜中心的横纵坐标，f表示焦面相对于透镜的轴向距离，A
mn
表示相应焦斑的振幅分布，e表示指数。3.如权利要求1所述的超表面设计方法，其特征在于，所述S2中，通过全息图的叠加原理叠加到一起的聚焦涡旋光束阵列复振幅分布的公式为：(x
m
,y
n
)表示各个焦斑相对于透镜中心的横纵坐标，f表示焦面相对于透镜的轴向距离，A
mn
...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴一辉，赵天宇，邢燚，王越，武杰，周文超，
申请(专利权)人：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，
类型：发明
国别省市：