[发明专利]一种偏振非依赖型超透镜

说明书

本发明公开了一种偏振非依赖型超透镜，包括基底层和在基底层上构建超表面阵列的超单元，所述超单元包括单圆柱、环形柱及同心柱，所述偏振非依赖型超透镜通过传播相位和补偿相位相结合的方式控制入射线偏振光的波前和消除色差。本发明中采取的入射线偏振光垂直照射超表面结构，根据所选择的入射中心波长，对介质柱进行结构参数扫描和优化，通过改变圆柱硅的尺寸能得到所需的补偿相位，并且实现高透过率，保证结构选择与传播相位相结合的方法能控制入射光的波前和消除色差。

技术领域

本发明属于复合材料超表面技术领域，具体涉及一种偏振非依赖型超透镜。

背景技术

波长色散是光学材料的一个重要特性，在光学元件和系统的设计中一直起着重要的作用，在大多数介质中，像玻璃，折射率随波长的增加而减小，这称为正常色散，利用这种材料，相比于短波长，在较长波长处折射透镜将具有更大的焦距，而棱镜将以更小的角度偏转，这种色差严重降低了全色光学应用的性能，如通信、检测、成像、显示等。目前，有超透镜使用多层结构实现双波长和三波长色差的消除，这一策略虽然取得了成功，但增加了光学系统的重量、复杂性和成本，极大地限制了它们的使用；且这些超透镜都受限于偏振依赖性，只能聚焦圆偏振光。

因此，最近的研究主要集中在可见光和近红外的偏振不敏感消色差超透镜的设计上，然而，如何设计一种不受偏振影响的消色差超透镜来消除中红外波段的色差效应仍是一个巨大的挑战。

发明内容

本发明的目的是提供一种偏振非依赖型超透镜，以克服上述技术问题。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种偏振非依赖型超透镜，包括基底层和在基底层上构建超表面阵列的超单元，所述超单元包括单圆柱、环形柱及同心柱；

所述偏振非依赖型超透镜通过传播相位和补偿相位相结合的方式控制入射线偏振光的波前和消除色差；

其中，利用传播相位作为聚焦相位，入射线偏振光垂直照射超单元，入射波长范围为3.7-4.7μm，通过传播相位的原理选择所述超单元控制入射线偏振光的波前，使在选定的中心波长处进行聚焦；

其中，通过所述超单元中三种不同类型结构获得需要的不同补偿相位值，保证在选取的入射波长范围内，补偿相位与入射波长的倒数呈线性关系，以消除在中心波长外的入射波长处的色差效应。

进一步地，所述单圆柱、环形柱及同心柱均为Si纳米结构，且所述单圆柱、环形柱及同心柱的高度H为4.5μm。

进一步地，所述基底层的材质采用CaF₂。

进一步地，所述超单元中的所述单圆柱、环形柱及同心柱的外直径保持一致。

进一步地，所述偏振非依赖型超透镜的相位分布的公式φ(x，λ)＝(2πλ)ne_ffH，其中，n_eff表示纳米结构的有效折射率，H表示超单元中各结构的高度。

进一步地，所述构建超表面阵列的超单元之间的距离为1.8μm。

有益效果：

本发明所设计的超表面实现的消色差是连续带宽范围内的，除了可以单独用超表面实现消色差，还可与传统光学器件相结合，从而提高超表面消色差器件的性能和尺寸，扩展应用范围；

本发明中采取的入射线偏振光垂直照射超表面结构，根据所选择的入射中心波长，对介质柱进行结构参数扫描和优化，通过改变圆柱硅的尺寸能得到所需的补偿相位，并且实现高透过率，保证结构选择与传播相位相结合的方法能控制入射光的波前和消除色差；

本发明中的基于介质超表面的偏振非依赖宽带消色差器件，另一方面是实现了连续带宽范围内的消色差，较以往器件而言，大大减小了体积与成本。

附图说明