基于几何相位的集成超透镜设计制造技术

几何相位型超表面受光束偏振态的影响,单元结构仅在特定偏振方向发生变化且产生对应的相位延迟,而偏振片的加入会导致入射光能量大大减小,使光学器件的能量利用率偏低。本设计提出一个双层级联结构，在衬底下方排列周期性的金椭圆柱阵列，使之进入的线偏振光转换为圆偏振光，作用相当于四分之一波片；在衬底上方利用几何相位原理排列不同方向角的TiO2矩形块，使转化后的圆偏振光在通过后会聚一点，达到聚焦效果。将该设计和数值孔径相同，但无偏振转换的圆偏振入射的超透镜做对比，有效验证了该集成超表面的偏振转换与聚焦功能。这样的设计思路不仅可以应用于超透镜聚焦，还可以应用在消色差超透镜上。应用在消色差超透镜上。应用在消色差超透镜上。

【技术实现步骤摘要】
基于几何相位的集成超透镜设计


[0001]本专利技术涉及偏振转换，超透镜成像，超表面集成邻域，特别是一种集偏振转换与聚焦的级联超透镜设计。

技术介绍

[0002]超透镜是利用人造亚波长单元结构在传统介质上进行波前调控的光学器件。超薄厚度、易于集成以及全域光场控制的优势使光学超透镜在显微成像、全息光学、偏振检测等方面具有重要应用。
[0003]超透镜有三种相位调控方法：共振相位调控、传输相位调控、几何相位调控。根据几何相位原理对相位进行调制时，相位变化不受材料的内在色散、结构的几何尺寸以及结构共振的影响；由几何相位原理制成的超透镜，具有大带宽、高制造容差等优点，这使得几何相位原理近年来被广泛的应用于超透镜的相位调制。但是，几何相位型超透镜在实际应用中需要加入四分之一波片使线偏振光变为圆偏振光，这样会使系统变得繁杂且导致器件能量利用率偏低。
[0004]超表面结构不仅可以改变光的相位，振幅，偏振，还可以使多个器件集成在一个超表面衬底上，这使大规模集成光学应用成为可能。基于几何相位设计的超透镜已经实现消色差，亚分辨率聚焦等功能。但是这些设计都没有解决光源的问题，四分之一波片的加入不仅导致入射光能量被削减，还使系统不那么微小。由于电磁波的电场或磁场与超表面亚波长单元结构的共振效应，会使得超表面上的相位或振幅发生突变，因此可控制超表面的波前相位，从而实现偏振转换。基于此，我们提出一种用于偏振转换和聚焦的级联超透镜，该设计可以实现基于几何相位调制的线偏振光入射下的聚焦。
[0005]用于偏振转换和聚焦的级联超透镜结构分为上下二层。X线偏振光源从底部入射，经过金椭圆柱阵列，变为左旋圆偏振光(left
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hand circular polarization,LCP)。LCP圆偏振光经过不同方向角的二氧化钛(TiO2)阵列，被转化成右旋圆偏振光(right
‑
handcircularpolarization,RCP)并聚焦到Z＝20μm处。本设计首先分析了不同偏振态下金椭圆柱的偏振转换特性，为接下来设计超透镜的工作波长提供了参考。然后，针对几何相位调制的超透镜，我们分析了三种不同折射率材料矩形块方向角与相移的关系。最后，我们还对比性的分析了有无偏振转换阵列超透镜的聚焦特性，结果表明，所提出的集偏振转换与聚焦的级联超透镜设计为大规模集成光学器件和几何相位型超表面提供了一个参考。

技术实现思路

[0006]本专利技术基于几何相位的集成超透镜设计，其结构简单，便于使用与制作。
[0007]本专利技术通过以下技术方案来实现：
[0008]基于几何相位的集成超透镜，如图1所示，其特征在于：用于偏振转换和聚焦的级联超透镜结构分为上下二层。X线偏振光源从底部入射，经过金椭圆柱阵列，变为LCP光。LCP光经过不同方向角的TiO2阵列，被转化成RCP光并聚焦到Z＝20μm点处。
[0009]所设计的级联超透镜半经为15μm，焦距为20μm，在入射波长950nm处计算得到的数值孔径为0.35。
[0010]本专利技术利用时域有限差分法(finite
‑
difference
‑
time
‑
domain,FDTD)对超透镜设计进行数值分析，整个透镜构建完毕后，所有边界条件设为完美匹配层(perfectly matched layer,PML)，所用光源为全场散射场(total
‑
field scattered
‑
field,TFSF)平面光光源。
[0011]与现有技术相比，本专利技术的优点：
[0012]1、本专利技术设计了一种基于单层超表面的宽带线偏振变圆偏振转换器，该器件结构简单，相比反射式和多层式偏振转换器，制作难度小。
[0013]2、本专利技术集偏振转换和超透镜于一体，使基于几何相位调制的超透镜器件结构简单，光源简便，聚焦效率更高。
[0014]3、本专利技术在宽带900
‑
1000nm线偏振光照射下，所设计的偏振结构都具有偏振转换和超透镜聚焦特性。
[0015]4、本专利技术所提出的集偏振转换与聚焦一体的超透镜设计思路不仅可以应用在不同波长段，也可以应用在基于几何相位的任何超透镜设计中，如消色差，彩色成像等，满足器件小型化、功能多样化等要求。
附图说明
[0016]图1(a)、(b)分别为偏振转换超透镜聚焦示意图和单元结构图。
[0017]图2为本专利技术在X线偏振(X
‑
linear
‑
polarization,XLP)和Y线偏振(Y
‑
linear
‑
polarization,XLP)光入射下，电场相位和转换效率在不同波长下的曲线，阴影区域为工作波长区域。
[0018]图3为三种不同折射率材料单元结构下的转换效率和相移随矩形柱旋转角度的关系。
[0019]图4为本专利技术在有无金阵列下的电场强度分布对比。图4(a)x
‑
y平面(b)x
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z平面有金阵列，使用线偏振光下的电场强度分布。图4(c)x
‑
y平面(d)x
‑
z平面无金阵列，使用LCP光下的电场强度分布。图4(e)焦点沿X方向的电场强度分布，图4(f)超透镜沿Z轴的电场强度分布。
[0020]图5为本专利技术在不同波长下的焦距，半高全宽(full width at half maximum,FWHM)曲线。
具体实施方式
[0021]为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，并参照附图，对本专利技术进一步详细说明，尽管在附图中展示出了实施的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
[0022]如图1(a)所示，金阵列和TiO2阵列分别相当于四分之一波片，凸透镜。超透镜TiO2单元柱在不同位置处的旋转角度可由以下公式得出,
“±”
表示入射光分别为左旋和右旋圆偏振态：
[0023]如图1(b)所示，h1，h2，h3分别是TiO2，SiO2，Au结构单元高度；矩形块旋转角度为θ，长为x，宽为y；金椭圆柱的长轴和短轴分别是a，b；结构单元周期为P。图1(b)结构单元的各个参数如表1所示：表1：级联超透镜结构参数(μnit/nm)
[0024]如图2(a)所示，在XLP光入射下，点划线Effi_LCP在工作波长区域内基本等于总透射率实线Effi_LP，并且电场Y方向相位比X方向相位落后约90度，出射后表现为左旋圆偏振光。
[0025]如图2(b)所示，电场X方向相位比Y方向相位提前约90度，出射光为右旋圆偏振光，在工作波长区域内Effi_RCP基本等于总透射率Effi_LP。
[0026]基于几何相位原理调制的出射相位只与纳米块的方位角θ有关，如图3所示，我们探究了三种不同折射率材质在旋转角度0
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180度下的出射相本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于几何相位的集成超透镜设计，如图1所示，其特征在于：用于偏振转换和聚焦的级联超透镜结构分为上下二层，X线偏振光源从底部入射，经过金椭圆柱阵列，变为LCP光；LCP光经过不同方向角的TiO2阵列，被转化成RCP光并聚焦到Z＝20μm点处。2.根据权利要求1所述的一种基于几何相位的集成超透镜设计，其特征在于：设计了一种基于单层超表面的宽带线偏振变圆偏振转换器，该器件结构简单，相比反射式和多层式偏振转换器，制作难度小。3.根据权利要求1所述的一种基于几何相位的集成超透镜设计，其特征在于：本发明集偏振转换和超透镜于一...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖功利，陈佳宇，杨宏艳，周嗣童，赖子凡，李海鸥，陈赞辉，孙堂友，陈永和，刘兴鹏，王阳培华，
申请(专利权)人：桂林电子科技大学，
类型：发明
国别省市：