宽带消色差红外光学超构透镜研究进展（特邀）

超构透镜是由亚波长散射单元结构排列而成的具有聚焦功能的平面二维超构表面。超构表面能够在亚波长尺度上操控光场的振幅、相位、色散和偏振态,是近年来迅速发展起来的新型光场调控载体。亚波长共振纳米结构使得高阶衍射被抑制,入射光场可以完美地被调制到设计的衍射级次上,从而确保了超构表面器件具有高的光子调控效率。同时,超构单元在设计上的灵活性及其特定的电磁响应使得超构表面可以实现对光场多个维度的定制化操控。不同于传统光学透镜依赖光传播的相位累积效应,宽带消色差超构透镜通过对光场相位和相位色散的同时独立调控解决了传统通过级联多个透镜修正色差造成的光学系统复杂和体积庞大限制,为发展小型化片上集成光学提供了全新的思路。文中围绕超构透镜的相关研究,首先介绍了超构表面调控光场振幅、相位和偏振态的基本原理,在此基础上,重点回顾了近年来关于超透镜的研究发展,包括通过单一参量调控的单波长超透镜的实现,以及通过对光场偏振、相位及相位色散的多参量联合调控的多功能宽带消色差超构透镜的发展现状,最后讨论其进一步发展的可能挑战与应用前景。     

面向近红外成像超透镜的设计与仿真北大核心CSCD

由亚波长单元结构组成的超表面是近年来平面光学透镜的重点研究对象,而由超表面组成的平面超透镜与传统透镜相比,在相位调控、偏振操控、全息成像、负折射率隐身等领域有显著优势。鉴于平面超透镜的微型化、轻量化和易集成化等方面的优势,而传输型相位调控原理更加适于近红外波段的应用,且对入射光偏振态无特殊要求,本文采用时域有限差分方法(FDTD)设计并优化了一种硅基的近红外波段的超透镜。所设计的超透镜焦距为15μm,直径为20μm,所达到的数值孔径(NA)为0.56,聚焦效率为68.3%,适用于所有入射偏振且在目标波长为700 nm范围内聚焦性能优良。本文研究结果为实现近红外超透镜轻薄化和平整化提供了新思路,有望优化红外探测器镜头的设计,提高红外探测的效率。     

自旋依赖强度可调谐的相变超构透镜

超表面是一种基于亚波长各向异性单元结构的超薄平面光学器件,能够在微观尺度下调制电磁波相位、偏振和振幅等,从而实现波前的任意调控。超构透镜作为超表面走向实用化的重要代表,凭借其超强的光波操控能力、超紧凑结构、多功能性及与半导体工艺兼容等突出优点,引起了研究学者的极大兴趣。然而,已报道的超构透镜受限于相位分布设计,难以同时实现偏振复用及强度可调谐聚焦功能;且结构一旦确定,其电磁性能就被锁定,在灵活调制电磁波方面受到很大限制。为此,文中从各向异性单元结构的设计和优化入手,协同PB相位和传输相位,设计了两种能够在不同空间取向（横向和纵向）上实现自旋分裂的Ge₂Sb₂Se₄Te₁ (GSST) 相变超构透镜。通过改变入射圆偏振光的椭偏度,两超构透镜均可实现强度可调谐聚焦性能;通过调控相变材料Ge₂Sb₂Se₄Te₁从非晶态逐渐转变为结晶态,两超构透镜均可实现聚焦性能的连续调谐并最终达到“ON”和“OFF”的动态切换。所设计的自旋依赖强度可调谐相变超构透镜有望在多成像系统、机器视觉和显微成像等领域发挥重要作用。     

基于石墨烯太赫兹超表面的特殊波束动态调控

现有的大多数特殊波束(聚焦波束、艾里光束等)超表面通常采用金属结构单元,通过改变单元结构的尺寸和旋转角度等方式进行单一的波前调控,但对动态调谐波前的特殊波束超表面的研究很少。本文突破传统结构的壁垒,利用石墨烯独特的电可调性,构造出利用石墨烯费米能级动态调控波前的特殊波束超表面,可在动态调控波前上实现更灵活的自由性,满足更多、更复杂的相位需求。通过调控石墨烯费米能级获得不同的相位分布,动态调控焦点的空间位置、聚焦开关与焦点个数之间的切换以及影响艾里光束的参数等。所提出的动态调控波前特殊波束超表面可为太赫兹在高分辨成像、聚焦可调平面透镜、光学显微操作、激光微加工、光学子弹成型等方面的应用提供参考。     

基于电介质超表面的光场复振幅调制及应用

超表面作为一种人工设计的二维阵列纳米结构,能够在亚波长尺度上实现光场波前振幅、相位和偏振态的灵活调控,为现代光学器件的小型化、集成化提供了全新的实现途径。随着光学成像、显示等应用的发展,在可见光波段具有高工作效率的微型光学器件的需求日益凸显。近年来,由高折射率、低损耗电介质材料制备的光学超表面得到了极大地发展,在消色差光学超透镜、偏振相关全息显示等方面展现出广泛的应用前景。文中围绕电介质超表面的相关研究,首先介绍广义斯涅耳定律及电介质超表面结构调控光场振幅、相位和偏振态的基本原理,在此基础上,重点回顾近年来关于光场波前单一参量调控和多参量联合调控在全息显示、结构光场产生等方面的研究进展,最后讨论电介质超表面发展的可能挑战与前景。     

聚焦强度可调的高数值孔径的双焦点超透镜

基于超表面对光波的振幅、相位和偏振进行调控来实现聚焦与成像的超透镜受到广泛关注。设计了一种聚焦强度可调的高数值孔径的双焦点超透镜，并进行了理论分析和仿真验证。仿真结果表明，该超透镜能有效地将圆偏振入射光聚焦到半高宽为0.44λ的光斑上，对应的数值孔径高达0.95。此外，通过改变入射光的偏振态，可以灵活地调制两个焦点的相对强度，而不同于以往的双焦点超透镜需要对光强进行重新组合。更重要的是，当圆偏振光入射时，它的聚焦效率可达65%，可适用在0.8~1.2 THz的较宽频率范围和0°~20°的入射角内，同时该工作为多焦点超透镜的设计提供了重要思路，也将在多成像系统、光学层析成像技术等许多领域具有较高的应用价值。     

超表面透镜的宽带消色差成像（特邀）

超透镜是一种由二维亚波长阵列结构表面所设计的透镜,其对光场中振幅、相位和偏振的调控能力较灵活,同时具有低损耗、易集成、超轻薄等优点,近些年引起了科研人员广泛的研究兴趣。然而在大多数情况下,针对特定波长设计的超透镜会遭受较大的色差,从而限制了其在多波长或宽带应用中的成像作用。超透镜因其二维平面结构引入了新的自由度,在对色差的消除上体现了新的潜力。文中报道了多种不同的消色差超透镜设计及其消色差调控机理,并对现有的消色差超透镜从调制波段类型进行了分类,如对离散波长的和对连续波长的消色差超表面透镜,后者又可从工作模式上分类为透射型和反射型,最后介绍了超透镜阵列在成像上的应用以及其在大景深宽带消色差器件上的前景。     

利用多层表面微结构提高DOE宽波段衍射效率

针对单层衍射光学元件的不足,介绍了一种新型的多层衍射光学元件,通过层叠多个具有不同材料色散特性与相位高度的单层表面微结构,增加元件相位分布函数中的可变因子,实现波段内各波长光波的等效相位调制等于或接近2?仔的整数倍,双层衍射光学元件在0.4~0.8 μm可见光波段的理论衍射效率可以达到96%以上。利用双层衍射光学元件替代萤石透镜校正混合光学系统的二级光谱,设计并制作了一套长焦距物镜,并利用系统调制传递函数评价了多层衍射光学元件衍射效率,测试结果表明衍射效率在整个设计波段内以较高的数值平均分布。     

增强现实显示光学引擎中光波导耦出超表面设计(特邀)EI北大核心CSCD

增强现实(AR)近眼显示光学引擎是新型显示光学设计领域的研究热点之一,它将虚拟图像投射到现实物理环境中进行显示,在空间上增强、融合和补充了物理世界。AR近眼显示光学引擎在光学系统集成化和微型化方面有较高要求,眼镜形态的AR近眼显示光学设备是未来必然发展趋势。光学超表面是一种由亚波长单元结构在二维平面上周期排布而成的人工结构阵列,通过单元结构和电磁波的相互作用实现对光场中振幅、相位和偏振的任意调控,同时具有体积小、效率高、结构紧凑等特点,在近眼显示应用中具有很大潜力。文中在AR光学引擎设计中引入一种传输相位型超表面光波导耦出结构,该超表面单元引入了突变相位,通过对超表面的等相位面调控改变光经过波导耦出的角度,使出射光效率最高达到77%,并实现20°视场角,为AR光波导结构设计提供一种可行方案,有望为下一代人机交互显示平台提供解决方案。     

新型功能超颖表面波前调制技术的发展与应用(特邀)

超颖表面作为一类智能表面,通常由特殊设计、加工而得到的特征尺寸接近或小于波长的亚波长纳米天线阵列构成。超颖表面能够实现光场的振幅、相位和偏振的人为调控,具有超薄、超小像素、宽带、低损耗、易加工等优势,设计灵活,功能强大。文中针对超颖表面在全息显示、波前调制和偏振转换、主动可调、非线性波前调控等方向进行综述,并展望未来发展趋势。超颖表面作为一种超薄的、微型化的波前调制器件,具有极大的信息容量,且更能适应未来高度集成的微型光电系统的发展要求,在全息显示、光束整形、涡旋光束的产生、数据存储、加密与防伪、超透镜与色散控制、彩色印刷、非对称传输、非线性光学、光的自旋霍尔效应、光通信与集成光电子学等应用领域提供了潜在的可行性和新的视角,有望取代传统光电器件,展现出了广阔的发展前景。     

电磁超表面透镜的前沿成像应用进展

电磁超表面是电磁超材料的一种二维形式,它由许多亚波长结构单元按某种特定规律排列形成,可以实现对电磁波相位、偏振和振幅的任意调控。与传统光学器件相比,它具有超薄的厚度,其小型化、紧凑化、易于集成等优点在光学系统中具有广泛的应用前景,掀起了国内外的研究热潮。文中首先从超表面的波前调控原理入手,对电磁超表面透镜成像机理进行了阐述,接着介绍了电磁超表面透镜在成像应用中的一些前沿进展,最后进行了总结,并对其未来的发展方向进行了展望。     

超表面透镜偏振可切换的多通道功能复用

超表面概念的提出为研究平面化和超薄的光学元器件提供了一种全新的设计思路。传统的几何相位型的超表面透镜受制于偏振锁定的限制,阻碍了其实现多功能的复用。文章提出了一种通过几何相位实现超表面透镜偏振解耦的方法。进一步,利用该方法作者实现了超表面聚焦透镜在纵向以及纵向和横向实现多通道功能（如聚焦光斑和聚焦涡旋）的复用和偏振可切换特性。相关研究为实现多功能可集成的平面化器件提供了新的研究思路。     

可调液晶微透镜研究进展

可调液晶微透镜是一种基于电光效应来改变其折射率空间分布的新型变焦微透镜,在微光学系统和微光机电系统中具有广阔的应用前景。简要介绍了可调液晶微透镜的基本结构,分析了其焦距调控的工作原理。阐述了可调液晶微透镜的研究现状,并指出了可调液晶微透镜研究的发展趋势。     

基于超光栅的3D打印全介质太赫兹超透镜

超透镜是基于超表面和超光栅的器件,可实现对入射光振幅、相位、偏振等的灵活调控,具有轻薄、易集成的特点。但超透镜的制作周期时间长、成本高,寻找一种易加工、低成本、高效的方法制造超透镜是非常有必要的。本文设计了一种高效波前控制电磁波的太赫兹(Terahertz, THz)全介质超光栅,当电磁波垂直入射时,超光栅将电磁波束弯曲至T_-1衍射级。通过仿真模拟可知,当P偏振光入射时,可将83.44%的透射能量集中在T_-1衍射级,S偏振光入射时可达到82.73%。基于设计的超光栅,当0.14 THz电磁波入射时,设计了数值孔径为0.39的超透镜,利用3D打印技术加工工艺制备,并搭建扫描测量系统验证该设计。测量结果表明,超透镜焦距为114.5 mm,与仿真设计相一致,同时测得了光斑的大小,最后搭建的THz透射成像系统表征了超透镜的成像能力。这项工作在光学传感、通信和超分辨率成像中具有潜在的应用价值。     

一种电磁相位可调超表面及其参数特性影响分析

相位可调超表面可以实现目标的虚拟赋形.文中提出了一种偏振不敏感的相位可调对称结构.针对所提出的结构,仿真分析了结构参数和变容二极管RLC电参数对超表面工作频带和相位调控范围的影响.同时,提供了一个具体的结构,以实现4.8 GHz～6.2 GHz范围内超过300°的相位可调能力.该结构具有可扩展性,可根据实际情况进行调整...     

基于超表面的远场多波束调控综述

超表面作为二维的的超材料,在保留其对电磁波调控能力的同时,具有剖面低、损耗小、易与其它器件集成的优点。自广义斯涅耳定律被提出以来,传统由透镜和棱镜等光学元件沿传播路径逐渐积累的相变方式开始被离散相位取代,极大地提升了超表面设计的灵活性。通过对超表面局部幅度和相位信息进行调控,可以改变入射波的传输方向,使其朝着不同方向传播。文章首先简要概述几种实现多波束激发的超表面平台,然后介绍了基于超表面平台对远场波束多波束调控的前沿进展,并对未来发展方向进行了展望。     

液晶偏振变焦透镜组合设计

具有可变焦能力的透镜在成像、传感和检测等领域扮演着重要角色。本文通过研究液晶偏振透镜的光学特性,设计出多点变焦的液晶偏振透镜变焦系统。液晶偏振透镜是一种利用液晶分子指向矢(光学各向异性轴)特定的空间排列,产生特定几何相位差从而达到波前控制效果的光学器件,对于左/右旋圆偏振光分别表现为正/负透镜效果。利用液晶偏振透镜的偏振特性及液晶分子受电场调制的性质,本文设计出由一片普通正透镜、一片可调谐液晶波片和两片液晶偏振透镜组成的液晶偏振变焦透镜组合,在特定的偏振入射光下,可以实现7个焦距的改变。同时,通过优化透镜焦距、间隔等参数,可以使变焦透镜组合实现等间隔变焦等功能。实验结果显示,在633nm圆偏振光下,利用自主制备的液晶偏振透镜组成的液晶偏振变焦透镜组合系统成功实现了7个焦距的变焦功能,同时变焦距离基本符合预期且部分焦距(前6个)实现了等间隔分布,充分验证了利用液晶偏振透镜实现多点变焦的可行性。     

太赫兹波前调制超表面器件研究进展

超表面是一种由人工微结构组成的超薄平面器件,能够实现对电磁波振幅、相位以及偏振态的调控,具有体积小、重量轻、集成度高、可灵活操控电磁波等优势,在电磁波谱、波前调制中发挥着巨大的作用。综述了近年来基于超表面的太赫兹波前调制器件的研究进展。总结了基于Pancharatnam-Berry相位、基于局域表面等离子体共振(LSPR)、基于Mie共振的三种超表面单元结构对电磁波的振幅、相位调控机理,并讨论了实现高效率超表面的方法。之后,介绍了用于设计波前调制超表面器件的纯相位调制方法和复振幅调制方法。综述了在太赫兹波段典型的超表面波前调制器,包括单一功能、复合功能以及可调谐功能的超表面波前调制器件。在早期的研究工作中,设计的超表面可实现波束偏转、波束聚焦、全息成像、以及涡旋光束、自聚焦光束、洛伦兹光束等特殊光束产生等功能。为提高太赫兹器件的利用率,波分复用、偏振复用等功能复用的太赫兹超表面器件被提出。随着对太赫兹波前动态调控需求的增长, 一些主动的太赫兹超表面器件被提出并在实验上被验证。共有两种主动的超表面器件。其中一种主动超表面是通过将超表面结构与半导体材料或相变材料结合形成的,另一种是通过光泵浦硅片形成的全光器件。全光超表面在不用重新加工的前提下能够被重复使用。通过调整投影在硅片上的超表面图像即可动态操控太赫兹波前。全光超表面具有动态控制波束扫描和波束聚焦的能力,将来可应用于太赫兹通信、太赫兹雷达等领域。最后,对太赫兹波前调制超表面器件的发展趋势与应用前景进行了展望。     

基于填充液晶的金属狭缝阵列结构对光束的调控

利用表面等离子体调控光束传输,在微纳集成光学及光通信领域有广泛应用。提出了一种狭缝中填充液晶的金属微纳阵列结构理论设计。利用表面等离子体传输效应,通过设定狭缝宽度、外加电场改变液晶的方位角控制相位延迟等参数,设计不同新颖效果的金属微纳光学透镜。利用时域有限差分(FDTD)法对三狭缝、六狭缝及五狭缝阵列结构进行数值模拟表明,上述结构分别实现光束偏转、光分束及光聚焦效果。偏转角、分束角及焦点位置随着狭缝宽度及方位角的改变而变化,从而实现对光束的调控作用。设计结构简单,可以通过电子束刻蚀系统等实验设备加工,具有较好的应用前景。     

基于Ω型共形超颖表面的曲面全息

共形超颖表面可以打破物体几何形状与光学功能之间的限制,使散射波前得到任意的调制。文中展示了一种自适应的共形超颖表面,该超颖表面由非手性镜面对称的型金纳米天线组成,可以集成在任意形状的基底上,在可见光范围内（=450 nm）实现曲面全息。共形超颖表面的相位调制方法依赖于贝里相位,通过旋转纳米天线的方位角,可以在每个亚波长单元中进行连续的相位控制。这种共形超颖表面包裹在曲面拓扑物体上可以用于各种实际应用中,如曲面透镜聚焦、隐身和安全打印技术。