[發(fā)明專利]消色差的光學超表面聚焦元件

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010606482.0
• 申請日: 2020-06-29
• 公開（公告）號: CN111679351A
• 公開（公告）日: 2020-09-18
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 顧天奇;郭子明;胡晨捷;羅祖德
• 申請（專利權(quán)）人: 福州大學
• 主分類號: G02B5/00
• 分類號: G02B5/00
• 代理公司: 福州元創(chuàng)專利商標代理有限公司 35100
• 代理人: 丘鴻超;蔡學俊

本發(fā)明提出一種消色差的光學超表面聚焦元件，包括：基底以及生成在基底上的多根長方體納米柱；所述納米柱分為第一尺寸、第二尺寸和第三尺寸，對應(yīng)第一波長λ₁、第二波長λ₂和第三波長λ₃；第一尺寸、第二尺寸和第三尺寸的所述納米柱呈正六邊形陣列間隔交替排布；所述納米柱的長寬尺寸與入射光束的波長耦合，所述納米柱的旋轉(zhuǎn)角與入射光束的波長、焦距、附加相位調(diào)制值，以及所在的位置耦合，使元件對三種波長的平行入射光的焦距相同。其通過調(diào)整納米柱的長寬尺寸和旋轉(zhuǎn)角即可實現(xiàn)對于多種波長入射光束的消色差適配，該設(shè)計方案的泛用型大大強于現(xiàn)有方案。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光學器件領(lǐng)域，尤其涉及一種消色差的光學超表面聚焦元件。

背景技術(shù)

超表面是近些年來發(fā)展起來的一種新型二維光學材料，其基本單元由亞波長結(jié)構(gòu)構(gòu)成，具有超輕超薄的性質(zhì)，理論上可以在亞波長尺度對光場進行相位、振幅等多種電磁調(diào)控，以此為基礎(chǔ)制成的超表面器件可以輕松實現(xiàn)傳統(tǒng)光學器件難以實現(xiàn)、甚至無法實現(xiàn)的特殊功能，因此超表面作為光學成像元件已經(jīng)應(yīng)用于內(nèi)窺鏡、虛擬現(xiàn)實等領(lǐng)域，以其在分辨率及小型化等方面的優(yōu)勢，深受市場用戶的歡迎。而大多數(shù)超表面元件都對使用的波長有著嚴格的要求，通常一種設(shè)計方案只能在特定波長下使用，使其實用性大大降低。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷和不足，本發(fā)明提出了一種消色差的光學超表面聚焦元件的設(shè)計方案，其基于幾何相位原理和有限時域差分算法，根據(jù)介質(zhì)材料設(shè)計穩(wěn)定性和光轉(zhuǎn)換效率高的微納結(jié)構(gòu)表面，進一步可以結(jié)合電子束蒸發(fā)和深紫外光刻技術(shù)進行加工，選取合適的工藝參數(shù)制備尺寸精度和光潔度高的超表面功能元件。

其中，幾何相位原理是指當一個絕熱的物理系統(tǒng)從A狀態(tài)沿著一個特定的路徑(路徑并非特指物理空間路徑，而是指一定的態(tài)空間或者參數(shù)空間)進行演變，經(jīng)過一個周期回到初始狀態(tài)時，初始狀態(tài)與最終狀態(tài)并不能完全等效，其中會相差一個特定的相位因子，而且該相位因子只與系統(tǒng)演變的幾何路徑有關(guān)系。在電磁波偏振轉(zhuǎn)化過程中，不同的轉(zhuǎn)化路徑會引入一個額外的相位，恰好就是龐加萊球上某一點P沿不同路徑到達另一點Q時由于路徑的不同，引入了一個額外的相位差。幾何相位型超表面對電磁波的調(diào)制可以用以下瓊斯矩陣來表述：

其中E_xin和E_yin代表的是入射電磁場在x和y方向的偏振分量，E_xout和E_xout則代表出射電磁場在x和y方向的偏振分量。代表的是超表面的調(diào)制作用，表示為瓊斯矩陣為：

考慮圓偏振光入射的情況，將圓偏振光的瓊斯矩陣代入公式(5)可得：

可以看出，在圓偏振光入射的情況下，無論是透射式還是反射式超表面，出射電磁場中除了保留有部分與入射偏振態(tài)相同的分量，還有與入射偏振態(tài)恰好相反的、正交的分量，其復振幅為(或)。圓偏振光入射條件下，激發(fā)的正交分量的振幅是恒定值，與各向異性結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)角度無關(guān)。因此只要各向異性的結(jié)構(gòu)在局域坐標系兩個主軸方向上的透過率或反射率不同，即可實現(xiàn)對正交圓偏振分量的激發(fā)，且會攜帶一個與結(jié)構(gòu)指向角相關(guān)的相位突變，這就是偶極子光天線結(jié)構(gòu)引入的幾何相位。

本發(fā)明具體采用以下技術(shù)方案：