基于半嵌入结构的超透镜共聚焦特性

设计了一种1∶1比例的半嵌入全介质超透镜,该透镜能够实现不同窄波段的共聚焦特性。采用时域有限差分法对不同高度和晶格常数下纳米单元的相移进行了数值分析。基于惠更斯-菲涅耳原理,构建了1环(半径为7.7μm)和3环(半径为13.5μm)的超透镜,并对比分析了它们的聚焦特性。在3环设计下,当波长为600 nm、线偏振光时,超透镜的焦距离设计目标偏差约为2.2%,焦点半高全宽为1.1μm,聚焦效率达到68.28%。此外,还对650～490 nm波段内的超透镜色散进行了分析,并得到了650～550 nm波段内100 nm带宽和550～490 nm波段内60 nm带宽的恒定共聚焦焦点,这是由于焦深的存在所导致的。所设计的超透镜结构具有偏振不敏感、亚衍射极限聚焦、变焦和窄波段共聚焦的特性,在超分辨率、光路复用、彩色成像等领域具有潜在的应用价值。     

固体浸没透镜几何参数测量的自准直方法

本文介绍一种测量固体浸没透镜（SIL）几何参数的自准直方法。平行激光束经显微物镜会聚后入射到SIL上,SIL在三个不同的轴向位置处,其球面和底部平面的反射光再通过显微物镜后会形成自准直光束。由SIL三个自准直位置可获得它的曲率半径,折射率等几何参数。本文给出这些自准直位置的表达式以及对两个SIL测量的结果。     

色散对半球型固体浸没透镜系统透射场的影响

在考虑了半球型固体浸没透镜(h-SIL)内部的反射,应用矢量衍射理论分析了色散对h-SIL的透射场特性的影响.对应不同波长的照明光,h-S1L的材料色散作用将对其透射场特性产生影响.h-SIL的分辨率、焦深和聚焦强度对照明光的波长变化非常敏感,都随着波长的变化成周期性的振荡.     

利用固体浸没透镜的近场光学存储研究

固体浸没透镜的近场光学存储是一种有效的超高密度光存储方法。在自建的实验装置上利用固体浸没透镜 (SIL)在偶氮聚合物液晶 (P CN)上进行近场光存储实验 ,存储点的尺寸小于 0 5 μm(激光波长为 5 32nm)。并且研究了不同聚焦深度及入射激光强度对记录效果的影响。     

基于U型结构超构表面的光束偏转器和超透镜研究

利用超表面实现对光的操控是光学领域的研究热点之一。设计了一种U型单元结构,通过将结构以斜对称的方式放置并改变结构的几何参数,实现了透射光从0到2π的相移;采用线偏振光、左旋偏振光和右旋偏振光作为入射光,通过结构优化实现了具有偏振不依赖性的光束异常折射的光束偏转器,其折射角为22.4°,并探讨了超透镜的功能,为超表面的应用提供了参考。     

固体浸没透镜的近场光场分析

采用二维时域有限差分法(2D-FDTD method)研究了线偏振的高斯光束透过固体浸没透镜(SIL)的近场矢量光场分布特性。分析模拟结果表明,SIL底面的出射光场发生了退极化,产生了与入射光偏振方向垂直的退极化分量;退极化分量的存在使出射总光场的光斑得到一定程度的“加宽”;与入射光偏振方向相同的分量场的光斑均小于总场的光斑,且SIL的折射率越大,两者的差别也越大。     

用三区振幅和相位滤波器优化固体浸没透镜显微系统的光场分布

构造了三区振幅型和相位型滤波器,用矢量衍射理论分析了两种滤波器对固体浸没透镜显微系统透射场的优化作用.从光斑大小、聚焦强度(Strehl比)和边瓣强度等方面比较了两种滤波器的超分辨特性.数值结果指出,振幅型滤波器具有边瓣强度小,边界参数容限大的优点.相位型滤波器的超分辨效果比振幅滤波器的好,它的聚焦强度比振幅型的大.但是它的边瓣强度比振幅型的大.     

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。     

红外浸没探测器有效通光口径计算

给出了浸没探测器的有效通光口径计算式,包括透镜折射率n_1小于等于浸没介质折射率n_2(n_1≤n_2))和透镜折射率n_1大于浸没介质折射率n_2(n_1>n_2)两种情形。     

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。     

近红外波段偏振无关型反射超透镜的设计

近些年,超透镜受到了广泛关注。文中提出了一种基于金材料的近红外波段偏振无关型反射超透镜,该超透镜采用MgF₂材料作为电介质层,利用FDTD软件实现仿真设计。仿真结果表明:超透镜在不同偏振光入射的情况下具有相同的聚焦效果,入射波长在700~850 nm 的范围内,具有较好的聚焦效果。入射波长在750 ~800 nm范围内单焦点聚焦效果最好。当入射波长为800 nm,该超透镜可以分别实现单焦点和多焦点聚焦,其单焦点、双焦点和三个焦点的焦距分别为9.6、6.6 和 4.7 μm。可以利用该超透镜的特点实现不同的聚焦要求。     

近红外波长超透镜的设计与仿真

超透镜是超表面在成像领域中具有较大应用潜力的平面光学器件,能够精确调控光的相位、振幅、偏振等信息、兼容互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS)制造工艺,在器件轻量化和批量化制造等方面具有很大的发展前景。针对近红外成像镜头的轻量化需求,使用时域有限差分(finite difference time domain,FDTD)软件设计仿真了工作波长为800nm的硅基偏振不敏感超透镜,镜头厚度小于0.5mm,数值孔径为0.41时聚集效率为75。针对FDTD软件仿真时间较长、硬件要求较高、平面波边缘消散等问题,提出了三维和远场计算相结合的仿真方法;利用波印廷矢量和电场强度积分两种方法分别对超透镜聚集效率进行了计算。对比实验表明:三维和远程计算相结合的方法仿真时间降低了70,计算机内存需求降低了50。     

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。     

毫米波宽带高增益介质超透镜天线设计

基于相位补偿原理设计了一款全介质超透镜,同时使用喇叭天线作为馈源对透镜进行馈电.通过改变介质单元的高度和介质孔的深度实现了足够的相位补偿范围.该透镜共有506个单元,口径尺寸为44.6 mm×46.6 mm,该传输阵天线的焦径比为1.天线使用全介质结构,因此使用3D打印技术加工该全介质透镜,可以降低加工成本.仿真与实测...     

Design of high efficiency achromatic metalens with large operation bandwidth using bilayer architecture

Achromatic metalens composed of arrays of subwavelength nanostructures with spatially varying geometries is attractivefor a number of optical applications. However, the limited degree of freedom in the single layer achromatic metasurfacedesign makes it difficult to simultaneously guarantee the sufficient phase dispersion and high diffraction efficiency,which restricts the achromatic bandwidth and efficiency of metalens. Here we propose and demonstrate a high efficiencyachromatic metalens with diffraction-limited focusing capability at the wavelength ranging from 1000 nm to 1700 nm. Themetalens comprises two stacked nanopillar metasurfaces, by which the required focusing phase and dispersion compensationcan be controlled independently. As a result, in addition to the large achromatic bandwidth, the averaged focusingefficiency of the bilayer metalens is higher than 64% at the near-infrared region. Our design opens up the possibilityto obtain the required phase dispersion and efficiency simultaneously, which is of great significance to design broadbandmetasurface-based optical devices.     

Focusing enhanced broadband metalens via height optimization

Metalenses are two-dimensional planar metamaterial lenses, which have the advantages of high efficiency and easy integration. Based on the method of spatial multiplexing, a metalens with a wide working waveband is designed by arranging TiO2 nanopillars under the resonance phase regulation. In addition, choosing an assistant metalens with optimized heights is effective to enhance metalens’s focusing, which is also illustrated in this paper. The metalens, designed with numerical aperture (NA) of 0.72 and center working wavelength of 600 nm, achieves the working waveband of 550—660 nm, the focus point’s size of below 420 nm, and the focusing efficiency of more than 30%.     

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。     

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。