[發明專利]一種基于多層石墨烯的雙焦點與長焦深超透鏡

在審

• 申請號: 201910296643.8
• 申請日: 2019-04-14
• 公開（公告）號: CN109901251A
• 公開（公告）日: 2019-06-18
• 發明（設計）人: 陳明;高文文;劉厚權;陳晨;張文波;趙德平;王崇云
• 申請（專利權）人: 桂林電子科技大學
• 主分類號: G02B3/02
• 分類號: G02B3/02
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明提供的是一種基于多層石墨烯的雙焦點與長焦深超透鏡。其特征是：它由柱狀偶極子陣列1、SiO₂介質層2、多層石墨烯基底3組成。所述的超透鏡可以對不同波段的入射光實現透射和反射傳輸，分別形成雙焦點和長焦深。所述的多層石墨烯在紅外波段下的表面電導率受費米能級影響較高，可通過調節費米能級提供附加相位從而改變聚焦位置形成長焦深，而在可見光波段則具有較高的透射率形成雙焦點，從而得到具有透射和反射雙功能的超透鏡。本發明通過調節柱狀偶極子旋轉角度和多層石墨烯對不同波長的特殊響應實現雙功能超透鏡，具有高效率的聚焦功能和超寬帶、動態可調、易于集成等優點。

(一)技術領域

本發明涉及的是一種基于多層石墨烯的雙焦點與長焦深超透鏡，可用于納米成像、顯微鏡、醫學應用等方面，屬于幾何光學和微納光學領域。

(二)背景技術

超表面作為一種排列在二維表面上的亞波長結構，由于能局部地改變入射光束的振幅、偏振和相位的特殊功能，得到快速發展。由此基于超表面設計的透鏡也引起了人們的廣泛關注，與傳統透鏡不同，此超表面光學透鏡基于光學納米材料，因此相對較輕。當超表面的亞波長納米結構形成特定的重復模式時，它們能模擬折射光線的復雜曲率，但沒有那么笨重，并且在減少畸變的情況下聚焦光線的能力得以改善。不過，大多數這樣的納米結構設備是靜態的，因此限制了它們的功能性。在對透鏡研究的基礎之上，本發明利用多層石墨烯基底提出了一種在透鏡原理之上的在不同入射波長下可實現反射和透射的雙功能超透鏡，并且通過調節多層石墨烯的費米能級可實現對聚焦位置的調節，從而實現長焦深。

由于超表面體積較小易于集成的特點，利用其設計超透鏡受到越來越多的關注。反射式的長焦深超透鏡(Mehdi V,Caner G,Ozdal B,et al.Journal of the OpticalSociety of America B,2017,34(2):374.)雖然可實現長焦深但不具有可調性。而透射型光劍超透鏡(Zhang Z,Wen D,Zhang C,et al.ACS Photonics,2018:acsphotonics.7b01536.)的研究雖然焦深得到提高但是只能在一種模式下形成長焦深。因此開發一種同時具備結構簡單、可集成，并且能在不同模式下實現對焦深和焦點的動態可調的超透鏡以彌補現有技術的不足，具有十分重要的意義。通過對超表面結構的設計計算，在此我們利用時興的超表面技術設計出基于多層石墨烯的雙焦點和長焦深的雙功能超透鏡，其克服了傳統光學元器件的缺點，具有超薄超輕、二維平面、結構簡單、功能廣泛并且在聚焦時可以控制所有入射能量的優點，更好地提高了空間分辨率且厚度達到微米量級。其具有的長焦深和雙焦點聚焦功能在集成光學系統中具有非常廣泛的應用前景。并且此微納超透鏡克服了結構設計完成則焦點固定的弊端，通過調節石墨烯基底的費米能級能夠動態的調節聚焦位置形成長焦深大大提高了反射聚焦透鏡的實用性，同時在可見光波段內可形成透射型雙焦點聚焦透鏡，其對于不同波段不同的光學響應特性可使其應用在更多的光學器件和實際設計中。

(三)發明內容

本發明的目的在于提供一種結構簡單緊湊、易于集成、實用性強的基于多層石墨烯的雙焦點與長焦深超透鏡。

本發明的目的是這樣實現的：

一種基于多層石墨烯的雙焦點與長焦深超透鏡。其特征是：它由柱狀偶極子陣列1、SiO₂介質層2、多層石墨烯基底3組成。所述的超透鏡可以對不同波段的入射光下實現透射和反射傳輸，分別形成雙焦點和長焦深。所述的多層石墨烯在紅外波段下可通過調節費米能級改變聚焦位置形成長焦深，而在可見光波段則形成雙焦點，從而得到具有透射和反射雙功能的超透鏡。

通過合理的設計單元結構的參數，超表面上的每一個柱狀結構都相當于一個二分之一波片，它能夠將入射圓偏振光轉化為它的正交偏振態光。左旋圓偏振入射電磁波在與各向異性超表面結構相互作用后，它的正交偏振態電磁波包含了沒有相移的原始自旋相位和具有誘導相移的轉換相位部分(稱為Pancharatnam-Berry相位)，這種額外的相位為±2θ，其中θ是超表面偶極子單元結構的旋轉角。