CN115236851B - 基于全局调控原理的平面超透镜及其设计方法 - Google Patents
基于全局调控原理的平面超透镜及其设计方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN115236851B CN115236851B CN202210736204.6A CN202210736204A CN115236851B CN 115236851 B CN115236851 B CN 115236851B CN 202210736204 A CN202210736204 A CN 202210736204A CN 115236851 B CN115236851 B CN 115236851B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- superlens
- planar
- light
- metal layer
- expression
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 22
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 title claims abstract description 20
- 238000013461 design Methods 0.000 title claims abstract description 17
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 32
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 32
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 28
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 15
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims abstract description 8
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims abstract description 8
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 claims abstract description 6
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims abstract description 6
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims abstract description 6
- 239000007769 metal material Substances 0.000 claims abstract description 6
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 claims description 30
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims description 18
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 13
- 239000010931 gold Substances 0.000 claims description 13
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 claims description 13
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims description 8
- 238000003491 array Methods 0.000 claims description 7
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 5
- 230000002452 interceptive effect Effects 0.000 claims description 4
- 238000009828 non-uniform distribution Methods 0.000 claims description 4
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 claims description 4
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 claims description 3
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims description 2
- 230000006870 function Effects 0.000 description 32
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 18
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 9
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 8
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 8
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 7
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 7
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 4
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 4
- 230000004044 response Effects 0.000 description 4
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 3
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 3
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 2
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 2
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 2
- 238000012795 verification Methods 0.000 description 2
- 230000003044 adaptive effect Effects 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- CPBQJMYROZQQJC-UHFFFAOYSA-N helium neon Chemical compound [He].[Ne] CPBQJMYROZQQJC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 238000010884 ion-beam technique Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 description 1
- 238000010587 phase diagram Methods 0.000 description 1
- 230000001902 propagating effect Effects 0.000 description 1
- 230000008844 regulatory mechanism Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000002198 surface plasmon resonance spectroscopy Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
- G02B27/0012—Optical design, e.g. procedures, algorithms, optimisation routines
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B1/00—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements
- G02B1/002—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements made of materials engineered to provide properties not available in nature, e.g. metamaterials
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B3/00—Simple or compound lenses
- G02B3/0006—Arrays
- G02B3/0012—Arrays characterised by the manufacturing method
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Holo Graphy (AREA)
Abstract
本发明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。
Description
技术领域
本发明涉及光电子技术领域，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。
背景技术
透镜，作为光学***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***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***中对光场进行调控提供了新的思路。
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。
综上所述，在平面超透镜的设计中，还存在以下几个不足：
(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；
(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；
(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。
发明内容
有鉴于此，本发明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。
基于相同的发明构思，本发明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。
本发明的第一个目的可以通过采取如下技术方案达到：
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：
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。
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。
进一步的，所述基底材料为玻璃，金属层材料为金。
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：
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。
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。
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/> 的表达式中，λ为工作波长，x、y是球面波前的空间坐标，zf是预期焦距。
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：
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：
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：
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：
经过整理推导后，透过率函数表达式为：
本发明的第二个目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种基于全局调控原理的平面超透镜，包括：
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；
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。
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。
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。
进一步的，所述结构图案由以下方法获得：
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；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/> 的表达式中，λ为工作波长，x、y是球面波前的空间坐标，zf是预期焦距；
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。
进一步的，透过率函数表达式为：
计算透过率函数表达式所对应的图案，所得到的平面超透镜的结构图案具有|m|重旋转对称性和|m|根对称轴。
本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：
1、本发明区别于传统平面超透镜中基于局域单元调控的超透镜，提出了一种基于全局调控机制,厚度小于亚波长量级的超薄平面超透镜，在单一透镜结构上实现了傅里叶变换，成像，宽带响应，标量、矢量光场调控等多种功能。
2、本发明所提出的平面超透镜通过对结构图案的设计，使得平面超透镜可以在具有任意空间结构的入射光上增加会聚球面波前，当入射光被平面超透镜结构衍射时，输出的光能够在预期焦点处聚焦并且保持初始相位和偏振特性。因此实现对入射光无模式选择，能够满足平面波(标量光场)和具有任意空间相位和偏振结构的空间结构的光束的聚焦要求。
3、本发明所提出的平面超透镜，与传统光学透镜相比，具有超薄(厚度可小于十分之一工作波长)的特点，能应用于小型化的现代光学的应用场景中；与超透镜相比，这一平面超透镜结构简单，降低了加工制造的成本，极大的拓展了平面超透镜的应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例1的平面超透镜结构图案。
图2为本发明实施例2的平面波聚焦实验装置图。
图3为本发明实施例2的平面超透镜的平面波聚焦实验结果图。
图4为本发明实施例2的平面超透镜的结构光场的聚焦实验结果图，其中(a)为矢量光场通过平面透镜样品后的x-z平面的光场强度分布图，(b)为(a)对应的焦平面的光场分布图，(c)为利用检偏器获得的(b)对应的焦平面x分量示意图，(d)为涡旋光场通过平面透镜样品后的x-z平面的光场强度分布图，(e)为(d)对应的焦平面的光场分布图，(f)为利用焦平面的涡旋光与平面波进行干涉得到的干涉图样。
图5为本发明实施例3的傅里叶变换性能验证实验装置图。
图6为本发明实施例3的平面超透镜的傅里叶变换性能验证实验结果图。
图7为本发明实施例3的平面超透镜的成像性能实验结果图，其中a、c两图为成像结果，b为成像目标示意图。
图8为本发明实施例3的平面超透镜的宽带性能实验结果图，其中a图展示了不同波长的平面波入射平面透镜样品后的x-z平面的光场强度分布，b示意了焦平面的光场分布。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
本实施例提供了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：
S10、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，包括：
S11、本实施例中，设定预期焦距zf＝50μm，直径为70μm，拓扑荷数m＝8。
S12、使用表达式为cos(mθ)的角度余弦波作为参考光，角度余弦波与球面波前的相位分布为的球面波/>进行干涉，得到振幅全息图。
S13、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：
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：
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：
经过整理推导后，透过率函数表达式为：
S14、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如图1所示。
S20、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。本实施例中，基底材料为透光玻璃，金属层材料为金。
S30、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；本实施例中，在0.3mm玻璃基底上沉积厚度不大于十分之一工作波长的金膜。
S40、使用聚焦离子束技术在金膜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白色部分为完全透光，黑色部分为完全挡光，获得平面超透镜。
实施例2：
本实施例提供了一种基于全局调控原理的平面超透镜，并用于平面波和结构光场的聚焦，具体包括：
S10、制造平面超透镜样品，包括：
S11、设定预期焦距zf＝50μm，直径为70μm，拓扑荷数m＝4、6、8、10，设计平面超透镜的结构图案；
S12、在0.3mm玻璃基底上沉积厚度不大于十分之一工作波长的金膜，在金膜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m＝4、6、8、10对应的4个平面超透镜。
S20、搭建平面波聚焦光学***，如图2所示。本实施例中，光源选用氦氖激光器(工作波长为632.8nm)，并对其进行准直和扩展，光入射到平面超透镜样品上，利用150×的物镜和筒镜搭配收集透过样品后的衍射场并投射到摄像机(CCD)上，实现平面波的聚焦。
S30、搭建结构光场聚焦光学***，以图2所示的实验装置为基础，在制备矢量光和涡旋光后，分别将矢量光和涡旋光正入射到m＝8对应的平面超透镜样品上，利用150×放大的物镜和筒镜搭配收集透过样品后的光场强度分布并投射到CCD上，实现结构光束的聚焦。
本实施例中，平面波聚焦光学***聚焦实验结果如图3所示。可见，经平面超透镜调制后的光在z＝50μm处附近产生了聚焦的效果，焦平面的光场分布如图3(b)所示，实验所测得的焦点的半高宽约为540nm，达到了亚波长量级的聚焦效果。
本实施例中，结构光场聚焦光学***聚焦实验结果如图4所示。可见，平面超透镜样品将结构光场聚焦到焦平面z＝50μm处，焦点光斑的峰峰值为1.2μm，中心暗环的半高宽接近600nm，且平面超透镜不会改变入射光场的相位和偏振特性。
实施例3：
本实施例提供了一种基于全局调控原理的平面超透镜，并用于傅立叶变换，具体包括：
S10、制造平面超透镜样品，包括：
S11、设定预期焦距zf＝18cm，直径为5mm，拓扑荷数m＝8，设计平面超透镜的结构图案；
S12、在0.3mm玻璃基底上沉积厚度不大于十分之一工作波长的金膜，在金膜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。
S20、搭建实验***，如图5所示。激光器出射的光经准直后入射到加载了艾里光束相图的反射型空间光调制器(SLM)上，随后正入射到平面超透镜样品上。利用CCD对通过透镜后的衍射场进行收集。在不同传播距离实验拍摄的艾里光束的截面图如图6所示。
图7示意了成像的实验结果，其中a、c两图为成像结果，b为成像目标示意图，可见平面透镜样品清楚地显示了分辨率板中突出显示的区域的图像。
宽带响应的实验结果如图8所示，在不同波长的光源照明下，平面透镜都能够对入射光产生调制聚焦的作用。其中图8中的a图展示了不同波长的平面波入射平面透镜样品后的x-z平面的光场强度分布，当波长从430nm到780nm扫描时，可见光可以聚焦到28.9cm-15cm的不同的轴向传播位置(即zf)；焦平面的光场分布如图8中的b图所示，实验所测得的焦点的半高宽约为30μm。
由此可见，本实施例的平面超透镜在焦平面附近成功转换出了艾里光场的振幅信息，利用相位信息转化的艾里光束具有无衍射传输以及自加速的性质。
综上所述，本发明提出超薄平面超透镜，在单一透镜结构上实现了傅里叶变换，成像，宽带响应，标量、矢量光场调控等多种功能，能够满足平面波(标量光场)和具有任意空间相位和偏振结构的空间结构的光束的聚焦要求。与传统光学透镜和现有的超透镜相比都具有各自的优势，极大的拓展了平面超透镜的应用前景。
显然，上述所述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，本发明不限于上述实施例的细节，任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆视为不脱离本发明的专利范畴。
Claims (5)
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；
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；
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；
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/> 的表达式中，λ为工作波长，x、y是球面波前的空间坐标，zf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,y)为偏置函数，用于调整入射幅度的非均匀分布；利用Signal符号函数，将小于阈值的t(x,y)值设置为等于0，将大于阈值的t(x,y)值设置为等于1，即：
球面波前的相位分布简化为：
经过整理推导后，透过率函数表达式为：
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。
4.一种基于全局调控原理的平面超透镜，其特征在于，包括：
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；
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；
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；所述结构图案由以下方法获得：
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；
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；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/> 的表达式中，λ为工作波长，x、y是球面波前的空间坐标，zf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,y)为偏置函数，用于调整入射幅度的非均匀分布；利用Signal符号函数，将小于阈值的t(x,y)值设置为等于0，将大于阈值的t(x,y)值设置为等于1，即：
球面波前的相位分布简化为：
经过整理推导后，透过率函数表达式为：
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，其特征在于，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。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210736204.6A CN115236851B (zh) | 2022-06-27 | 2022-06-27 | 基于全局调控原理的平面超透镜及其设计方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210736204.6A CN115236851B (zh) | 2022-06-27 | 2022-06-27 | 基于全局调控原理的平面超透镜及其设计方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN115236851A CN115236851A (zh) | 2022-10-25 |
| CN115236851B true CN115236851B (zh) | 2024-05-28 |
Family
ID=83671294
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202210736204.6A Active CN115236851B (zh) | 2022-06-27 | 2022-06-27 | 基于全局调控原理的平面超透镜及其设计方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN115236851B (zh) |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110286429A (zh) * | 2019-06-17 | 2019-09-27 | 北京大学 | 同时在近远场双通道生成涡旋光场的平面光学器件及其设计和制备 |
-
2022
- 2022-06-27 CN CN202210736204.6A patent/CN115236851B/zh active Active
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110286429A (zh) * | 2019-06-17 | 2019-09-27 | 北京大学 | 同时在近远场双通道生成涡旋光场的平面光学器件及其设计和制备 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 透射超表面功能元件设计与光波前调控的研究;牟真;《硕士学术学位论文》;第26-31页，34-35页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN115236851A (zh) | 2022-10-25 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Li et al. | Efficient polarization beam splitter based on all-dielectric metasurface in visible region | |
| CN107315206A (zh) | 基于全介质超表面结构的高效红外光学透镜及其制备方法 | |
| WO2020019601A1 (zh) | 超构表面主镜、辅镜，及其制备方法和光学*** | |
| KR20190004703A (ko) | 입사 전자기파들로부터 근거리 구역에서 필드 강도 패턴을 형성하기 위한 디바이스 | |
| US20120082943A1 (en) | Diffractive photo masks and methods of using and fabricating the same | |
| WO2020077911A1 (zh) | 反射式超构表面主镜、辅镜和望远镜*** | |
| US20060050391A1 (en) | Structured-groove diffraction granting and method for control and optimization of spectral efficiency | |
| KR102129858B1 (ko) | 회절 광학 소자, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 광학 장치 | |
| US10061139B2 (en) | Optical devices based on non-periodic sub-wavelength gratings | |
| Anderson et al. | Comparison of optical-waveguide lens technologies | |
| Lee et al. | Imaging with blazed-binary diffractive elements | |
| CN114265132B (zh) | 一种单片混合式透镜及其制备方法 | |
| CN112859204A (zh) | 基于相变材料Ge2Sb2Te5的可重构超表面隐身斗篷 | |
| CN111948806B (zh) | 超构表面彩虹***的设计与实现方法 | |
| CN112965155B (zh) | 基于三维立体微结构的反射式超透镜及其制备方法 | |
| CN115236851B (zh) | 基于全局调控原理的平面超透镜及其设计方法 | |
| US20220004016A1 (en) | Broadband polarization splitting based on volumetric meta-optics | |
| CN116299810A (zh) | 一种反射式弯曲叉形面光栅的制备装置和方法 | |
| CN113376869B (zh) | 一种环形孔径式几何相位型超表面光学针发生器 | |
| CN114815277A (zh) | 基于超薄平面结构实现光场紧聚焦的方法及装置 | |
| Wu et al. | Research on Dammann grating metasurface based on Moiré effect | |
| CN112731757A (zh) | 应用于等离激元直写光刻的光场调控芯片及制备方法 | |
| Goering et al. | Miniaturized optical systems for beam deflection and modulation | |
| Silvestri et al. | Optical antennas for far and near field metrology | |
| CN115657182B (zh) | 一种透反射双面衍射光学元件及制作方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |