[发明专利]一种基于全介质超表面的双层消色差透镜

说明书

本发明公开了一种基于全介质超表面的消色差透镜，包括：基底和基底上的双层超表面；所述基底上覆盖一层低介电常数材料层，第一纳米结构单元分布在基底表面并填充在低介电常数材料层中，第二纳米结构单元分布在低介电常数材料层表面，第一纳米结构单元和第二纳米结构单元采用不同的相位分布，形成双层超表面。本发明提出的双层消色差透镜解决了消色差光学器件满足所需的相位色散与效率之间的相互制约问题，有利于实现高性能的宽带消色差器件，同时有利于器件集成光学系统的结合。

技术领域

本发明属于纳米光子学领域，特别涉及一种基于全介质超表面的双层消色差透镜。

背景技术

色散是光学材料的重要属性之一，在设计光学组件和系统中扮演着重要的角色。传统的折射光学通过传播的方式对相位进行积累，正色散材料(例如玻璃)的折射率随着波长的增加而减小，因此在红光处折射透镜有更大的焦距而棱镜有更小的偏振角度。而在衍射光学中，元件通过振幅或相位对光的干涉作用来工作，表现出相反的色散特性，这导致衍射元件在长波有更短的焦距，更大的偏折角。消色差元件则是通过级联一些具有互补色散特性的材料来实现的，例如消色差双合器件以及三合器件。然而，这一方法常常增加了器件的重量和复杂度，限制了他们的进一步应用。

超表面是一种新颖的二维人工材料，它由亚波长尺度下的人工微结构按特定功能需求排列而成，可实现对入射电磁波的相位、振幅和偏振的灵活调控，其新颖的机制和灵活的调控方式使其具有广泛的应用前景。近年来，国内外研究学者基于此对消色差器件进行了广泛的研究。目前为止，很多课题组实现了多波长的消色差超透镜，例如Avayu等人通过堆叠由不同材料的金属圆盘构成的超表面实现了可见光波段的三波长消色差透镜，Faraon等人在近红外波段实现了双波长的消色差超透镜，随着人们对更多波长消色差的需求，宽带宽的消色差被提出，在可见光波段，Capasso等人利用二氧化钛实现了200nm带宽的消色差，Tao Li等人利用氮化硅实现了260nm带宽的消色差，而在近红外波段，Tao Li等人实现了400nm带宽的消色差，Nanfang Yun等人实现了450nm带宽的消色差。

由上述研究可知，目前在可见光和近红外波段均报道了很多消色差器件，但是这些器件普遍具有较低的效率，因此如何在相位色散及效率之间进行权衡仍然是一个突出的问题，这便需要我们提出一种新的消色差方案。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的问题，提供一种基于全介质超表面的双层消色差透镜。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种基于全介质超表面的双层消色差透镜，包括：基底和基底上的双层超表面；

所述基底上覆盖一层低介电常数材料层，第一纳米结构单元分布在基底表面并填充在低介电常数材料层中，第二纳米结构单元分布在低介电常数材料层表面，第一纳米结构单元和第二纳米结构单元采用不同的相位分布，形成双层超表面。

进一步的，两层纳米结构单元的分布需满足以下条件：

其中：为第一纳米结构单元的聚焦相位；为第二纳米结构单元的相位色散；(x,y)为以结构中心为原点纳米结构单元在结构上的位置坐标；λ_max为消色的最大波长；f为整个透镜的焦距；λ为入射波长；为补偿相位。

进一步的，基底采用低介电常数的介质材料制成，如石英玻璃、氟化钙、氟化钡或红外硫系玻璃。

进一步的，第一纳米结构单元和第二纳米结构单元采用相同材料或不同材料制成，为高介电常数的低损耗介质材料或半导体材料，如氮化镓、二氧化铪、二氧化钛、氮化硅、硅或锗。

进一步的，基底和纳米结构单元的介电常数的比值在1:1.2～1:3.5。