[發明專利]一種基于超構表面的正交偏振光成像衍射光學器件

有效

• 申請號: 202010109317.4
• 申請日: 2020-02-22
• 公開（公告）號: CN111367088B
• 公開（公告）日: 2021-03-12
• 發明（設計）人: 楊原牧;趙峰
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: G02B27/28
• 分類號: G02B27/28;G02B27/00;G02B1/00
• 代理公司: 北京清亦華知識產權代理事務所(普通合伙) 11201
• 代理人: 廖元秋

本發明提出了一種基于超構表面的正交偏振光成像衍射光學器件，由襯底和以陣列形式布設于所述襯底表面的亞波長光學天線組成；亞波長光學天線陣列為二維陣列，分別以平行于亞波長光學天線陣列行和列的方向作為x軸和y軸；各光學天線沿xy平面的橫截面形狀均具有C₂對稱性，各光學天線的長度和寬度均分別為工作波長的1/20至1/2，各光學天線的高度均相等、均在亞波長范圍內，相鄰兩光學天線的中心距均相等、且不超過工作波長的一半；通過設計各光學天線的長寬實現對正交線偏振光施加傳輸相位，通過設計各光學天線的長寬和旋轉角度實現對正交圓偏振光同時施加傳輸相位和幾何相位。本發明用一個單元結構即可實現正交偏振光的同時不同位置聚焦成像。

技術領域

本發明可被應用于正交偏振光成像等領域，特別涉及一種基于超構表面的正交偏振光成像衍射光學器件。

背景技術

偏振是光的基本屬性的一種。物質因其自身屬性(如表面特性、粗糙度、陰影和外形等)不同會具有不同的偏振特性(會產生其自身性質決定的特征偏振)。偏振成像是在實時獲取目標偏振信息的基礎上利用所得到的信息進行目標重構增強的過程，與強度成像、光譜成像、紅外輻射成像等技術相比，除了獲取傳統成像信息外，還能夠額外獲取偏振信息，是具有巨大應用價值的前沿技術，特別適合于隱身、偽裝、虛假目標的探測識別，在霧霾、煙塵、水下等惡劣環境下能提高光電探測裝備的目標探測識別能力。

偏振成像模塊主要由偏振光學元件、成像元件、感光器件等部件構成，其中偏振光學元件的性能和偏振調控方式很大程度上決定了偏振成像模塊的偏振探測能力、時間和空間分辨率、成像效率等關鍵指標。傳統的偏振光學元件是偏振片，偏振片的特點是只允許在一個特定平面內振動的光通過，因此偏振成像模塊的具體實現方式包括兩種：1、時序式，通過旋轉偏振片或者液晶調制的方式分時同像素獲取物體的多個偏振信息；2、分光式，通過分孔徑、分振幅、分焦面等方式同時不同像素獲取目標多個偏振信息。由于時序式主要針對靜態成像；而分光式降低了到達每個像素的光能量，導致效率較低；且偏振分光與聚焦成像需要兩個光學元件實現，難于集成化和小型化，嚴重制約了偏振成像的實際應用。

近年來，超構表面(Metasurface)的提出引起了廣泛關注，通過表面上亞波長尺度的結構設計，可以實現偏振敏感的光束控制，有望克服傳統偏振片時間分辨率低和聚焦效率低的限制，實現偏振成像模塊的小型化和集成化。如哈佛大學Capasso教授課題組已利用幾何相位原理使用兩種偏振敏感結構組合的宏結構實現了基于二氧化鈦材料的多光譜手性成像的超透鏡，但由于采用宏結構方式，使得聚焦效率存在50％理論閾值。

發明內容

針對現有技術中偏振成像元件體積大、效率不高的問題，本發明提供了一種通過設計亞波長納米柱天線的幾何尺寸和排布方式，實現緊湊型、高效率、偏振分光和聚焦成像一體的正交偏振光同時成像光學器件。

為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：

本發明提出的一種基于超構表面的正交偏振光成像衍射光學器件，用于對正交線偏振光施加傳輸相位，其特征在于，由襯底和以陣列形式布設于所述襯底表面的亞波長光學天線組成；亞波長光學天線陣列為二維陣列，分別以平行于亞波長光學天線陣列行和列的方向作為x軸和y軸；各光學天線沿xy平面的橫截面形狀均具有C₂對稱性，各光學天線的長度和寬度均分別為工作波長的1/20至1/2，各光學天線的高度均相等、均在亞波長范圍內，相鄰兩光學天線的中心距均相等、且不超過工作波長的一半；

所述二維陣列中各光學天線的分布按照以下步驟確定：

1)根據工作波長λ，利用時域有限差分或嚴格耦合波分析方法，計算單個光學天線在不同高度、中心距、長度和寬度的情況下，對正交X線偏振和Y線偏振入射光的相位和透過率的調制情況；令相鄰兩光學天線的中心距和各光學天線的高度均保持不變，篩選出滿足：透過率接近于1、正交線偏振入射光相位調制范圍為[0,2π]條件的所有光學天線的長度、寬度范圍，并存為數據庫；