[发明专利]一种产生艾里光束的几何相位型超透镜

说明书

本发明公开了一种产生艾里光束的几何相位型超透镜，主要以广义斯涅尔定律和几何相位为基础，设计可以用于生成艾里光束的平面超薄超透镜，该超透镜包括作为透镜基底的玻璃，设置于该玻璃上表面的用于调制入射光束的微纳二氧化钛立方体结构层。本发明提出的基于不同旋转角度单层微纳二氧化钛长方体阵列式分布结构的超透镜，解决了传统上产生艾里光束方法器件笨重和结构复杂的问题。本发明采用微纳结构改进了传统产生一维、二维以及阵列式艾里光束的方式，尽可能缩小透镜的体积与重量，符合现代化光学器件或光电器件小型化可集成的趋势。

技术领域

本发明属于微纳光学、结构光束产生、超材料/超表面/超透镜等领域，特别涉及一种产生艾里光束的几何相位型超透镜。

背景技术

艾里光束，最早是在量子力学的背景下，由Berry和Balazs于1979年提出的。作为自由势薛定谔方程的非扩展解，首先通过实验观察的是Siviloglou等人。艾里光束因其自弯曲行为，横向加速度和自愈合等特性受到广泛关注，这种特性也使得艾里光束携带自弯曲的传播方向相位梯度，具有光学通信和光学操控等方面的应用潜力。

艾里光束的产生是基于指数截断艾里函数的角傅里叶谱，是具有立方相位调制的高斯光束。在这种情况下，为了产生艾里光，必须要将立方相位加载到入射光中并进一步通过会聚透镜进行傅里叶变换。将立方相位调制到高斯光束上的直接方法是使用空间光调制器，该方法可用于在实验过程中动态调整光束的性能。然而，空间光调制器是一个精密昂贵的装置，且不能承受高功率的激光。此外，液晶产生的相位调制往往会伴随着高散射损耗。另外，还可以使用立方相位掩模、非对称调制二次非线性光学介质中的三波混合过程或利用倾斜简单球面透镜引起的光学像差来产生艾里光。但是这些方法也有一些缺点，例如，相位掩模的制造需要昂贵的光刻技术来产生携带相位调制的图案。非对称极化技术仅限于产生一维艾里光，透镜倾斜需要非常精确的对准。

近年来，超表面被认为是具有定制化设计并且十分具有应用潜力的二维超材料，其能够以所期望的灵活方式赋予入射光一定的相位延迟，达到控制透射或反射的电磁波的相位，幅度和偏振的目的。由于这种对入射光的自由调控，超表面已被制造为透镜、波片、偏振器光学器件等。此外，超透镜被逐步设计出用于产生各种特殊形式的光场，如光学涡旋、贝塞尔光束等。对比传统光学元件通过对镜片进行切割，研磨制造，再组合到一起形成透镜组，超透镜满足现代光学器件尺寸的缩小与轻量化，并且可以灵活调控入射光。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术存在的问题，提供一种产生艾里光束的几何相位型超透镜。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种产生艾里光束的几何相位型超透镜，所述超透镜包括作为透镜基底的玻璃，设置于该玻璃上表面的用于调制入射光束的微纳二氧化钛立方体结构层，该结构层包括阵列式排布的若干个单层二氧化钛立方体结构单元。

进一步地，所述超透镜调制入射光的条件为：入射光为圆偏振光，入射光波长为532nm。

进一步地，所述微纳二氧化钛立方体结构层M1在532nm波长的圆偏振光入射情况下，实现半波片功能，用于改变入射光的几何相位。

进一步地，以所述玻璃的下表面为x-y平面，垂直于该平面的轴向作为z轴，所述单层二氧化钛立方体结构单元沿z轴的旋转角度可调，用于满足一维艾里光束、二维艾里光束以及阵列式艾里光束的相位分布，实现将入射光调控为一维艾里光束、二维艾里光束以及阵列式艾里光束。

进一步地，所述超透镜基底上、下表面的边缘均涂覆有抗反射层。

进一步地，所述超透镜上表面覆盖SU-8聚合物，用于填充微纳二氧化钛立方体结构层的间隙。