一种基于空间复用的可见光波带消色差超透镜设计方法技术

本发明专利技术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。其他超表面器件设计提供了参考。其他超表面器件设计提供了参考。

【技术实现步骤摘要】
一种基于空间复用的可见光波带消色差超透镜设计方法


[0001]本专利技术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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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
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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。
[0004]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。
[0005]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。
[0006]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。
[0007]LIANG YU等人提出了一种免偏振敏感消色差超构镜设计，其研究利用传输相位法以及粒子群优化算法，设计出一种基于二氧化钛纳米单元柱的反射式消色差超构透镜，在500～550nm之间实现了恒定聚焦。但是该方法实现的带宽范围窄，仅为500～550nm。
[0008]综上，在上述实现超透镜色差消除的方案中，存在有透镜结构复杂，运用多种不同的结构，给加工制备带来了挑战的问题，以及若仅利用二氧化钛纳米柱会导致制备成本昂贵且实现的带宽范围窄的问题。因此，基于上述现有技术中仍存在的缺陷，有必要提出一种新的超透镜消色差设计方案。

技术实现思路

[0009]本专利技术的目的是提供一种实现可见光范围内双波长聚焦超透镜设计的基于空间复用的可见光波带消色差超透镜设计方法。
[0010]为此，本专利技术技术方案如下：
[0011]一种基于空间复用的可见光波带消色差超透镜设计方法，步骤如下：
[0012]S1、设置超透镜的结构参数和仿真方式、条件；
[0013]S2、设计在λ
起
到λ
止
范围内消色差超透镜的单元结构，将整个波段λ
起
～λ
止
以波段中心分为两个区域，即蓝区和红区，λ1和λ2分别为自蓝区和红区中自选定的波长；通过仿真获得不同直径纳米柱分别在λ1和λ2两个入射波长下的相变曲线和透射率曲线，构建具有高透射率特点的纳米柱直径
‑
相位库；其中，超透镜的单元结构由具有立方体结构的二氧化硅基底和竖直固定在基底顶面中心处的具有圆柱体结构的氮化硅纳米柱构成，且纳米柱高度与单元结构周期满足：在指定直径范围内的纳米柱在设定入射波长范围内具有至少覆盖一个相位周期；
[0014]S3、将超透镜中的若干个纳米柱进行平面离散，以计算各纳米柱的理想相位；其中，理想相位的计算公式为：
[0015][0016]式中，为理论相位；(x,y)为纳米柱中心的位置坐标；λ
i
为入射光的波长，i＝1或2；f为超透镜的焦距；C(λ
i
)为常数，其取值仅与入射波长有关；
[0017]S4、基于菲涅尔双波长空间复用法对超透镜进行单波长透镜纳米柱填充；
[0018]S5、利用二维粒子群算法，求取参数C(λ
i
)的最优解。
[0019]进一步地，在步骤S1中，超透镜的仿真方式采用有限时域差分法进行仿真。
[0020]进一步地，在步骤S1中，超透镜的仿真方式采用有限时域差分法进行仿真；仿真条件设置为：
①
将仿真光源设置为：x偏振平面光从超透镜的单元结构入射；
②
将边界条件设置为：将单元结构中的上、下层为完美匹配层，以防止光的反射；单元结构的四周设置为周
期性边界；
③
将监视器设置为：设将z平面监视器和点监视器放置在超透镜的单元结构上方，以分别监测超透镜的单元结构透射率变化和相位变化。
[0021]进一步地，步骤S2的具体实施步骤如下：
[0022]S201、设计超透镜的单元结构并确定纳米柱高度H、直径D和单元结构周期P；其中，P的取值范围为P&am本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于空间复用的可见光波带消色差超透镜设计方法，其特征在于，步骤如下：S1、设置超透镜的结构参数和仿真方式、仿真条件；S2、设计在λ
起
到λ
止
范围内消色差超透镜的单元结构，将整个波段λ
起
～λ
止
以波段中心分为两个区域，即蓝区和红区，λ1和λ2分别为蓝区和红区中自选定的波长；通过仿真获得不同直径纳米柱分别在λ1和λ2两个入射波长下的相变曲线和透射率曲线，构建具有高透射率特点的纳米柱直径
‑
相位库；其中，超透镜的单元结构由具有立方体结构的二氧化硅基底和竖直固定在基底顶面中心处的具有圆柱体结构的氮化硅纳米柱构成，且纳米柱高度与单元结构周期满足：在指定直径范围内的纳米柱在设定入射波长范围内具有至少覆盖一个相位周期；S3、将超透镜中的若干个纳米柱进行平面离散，以计算各纳米柱的理想相位；其中，理想相位的计算公式为：式中，为理论相位；(x,y)为纳米柱中心的位置坐标；λ
i
为入射光的波长，i＝1或2；f为超透镜的焦距；C(λ
i
)为常数，其取值仅与入射波长有关；S4、基于菲涅尔双波长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(λ
i
)的最优解。2.根据权利要求1所述的基于空间复用的可见光波带消色差超透镜设计方法，其特征在于，在步骤S1中，超透镜的仿真方式采用有限时域差分法进行仿真。3.根据权利要求1所述的基于空间复用的可见光波带消色差超透镜设计方法，其特征在于，步骤S2的具体实施步骤如下：S201、设计超透镜的单元结构并确定纳米柱高度H、直径为D和单元结构周期P；S202、分别仿真得到在λ1和λ2两种入射波长下不同直径纳米柱对应的相位响应曲线和透射率响应曲线，以构建纳米柱直径
‑
相位库。4.根据权利要求1所述的基于空间复用的可见光波带消色差超透镜设计方法，其特征在于，步骤S4的具体实施步骤如下：S401、将超透镜在基底平面上自圆心沿径向方向划分为若干个区域，各区域以交替设置的方式定义为λ1对应的区域和λ2对应的区域；S402、对λ1区域内的各纳米柱，依次在相位库中选择出与理想相位偏差最小的所对应的D作为纳米柱的直径；对区域λ2内的各纳米柱，依次在相位库中选择出与理想相位偏差最小的所对应的D作为...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡姝玲，石瑞雪，蔡庆中，孙传奇，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：