[发明专利]实现横向多焦点聚焦的超构表面透镜及实现方法

说明书

本发明公开了一种实现横向多焦点聚焦的超构表面透镜及实现方法。通过将超构表面透镜进行亚波长正方形阵列单元分区；每个正方形单元进一步划分成尺寸更小的正方形像素单元。每个亚波长尺寸正方形单元内嵌套一个一定像素组成并有确定长宽比的狭缝。狭缝的方位角取向的二倍对应了该单元的相位调制值。相位调制值由两部分叠加组成，其中一部分相位值调制值产生沿径向发生变化的球面波；另一部分沿方位角方向发生变化的相位值调制值，由傅里叶变换相移定理决定。将确定好方位角取向的每个亚波长正方形单元内的狭缝制作成对应取向的二氧化钛长方体阵列超构表面透镜。用圆偏振光入射可以产生焦平面内的多焦点聚焦。

技术领域

本发明涉及一种超构表面透镜，尤其是一种能实现横向多焦点聚焦的超构表面透镜，同时还涉及一种基于该透镜实现横向多焦点聚焦的实现方法。

背景技术

传统光学透镜是通过玻璃厚度的变化来调节入射光相位从而实现聚焦的。这样的透镜体积大而且笨重。随着集成光子学器件的不断发展，传统光学器件包括透镜很明显已经不能满足大规模集成以及器件小型化功能多样化的要求。

由于金属或电介质纳米天线对入射光存在相位调制，在基底表面利用镀膜技术和现代微加工技术可以加工按相位调制所需要的各类纳米天线阵列，从而实现对入射光的相位，偏振进行调制的光电器件，如偏振转换器、分束器、色散元件、无色差聚焦透镜等。这类器件称之为超构表面元件，其厚度和尺寸通常可以在微米量级。因而体积极小，重量轻，易于集成。

另一方面，高数值孔径物镜的矢量光束聚焦理论和相位调制方法已经使我们能够产生各种各样的聚焦光斑，如环形光斑、链状光斑、螺旋光斑、针状光斑、隧道形光斑、球状光斑、二维阵列光斑和三维阵列光斑。这些光斑在超分辨荧光成像、共焦显微镜、超精密激光并行加工、光刻技术、超分辨激光增材制造、微纳米尺度激光捕获操控、光学数据存储等领域具有非常广泛的应用。

目前还没有利用纳米天线阵列构成的可以产生横向多焦点的超构表面透镜。

发明内容

本发明提出了一种实现横向多焦点聚焦的超构表面透镜及实现方法，其目的是：提供一种体积极小、重量轻、易于集成的微型光电元件，替代传统的高数值孔径物镜和相位调制元件组合，满足大规模集成以及器件小型化功能多样化的要求。

本发明技术方案如下：

一种实现横向多焦点聚焦的超构表面透镜，通过下述步骤制作：

(1)根据波长选择纳米天线阵列的材料，并根据波长确定亚波长尺寸正方形单元的边长尺寸；

(2)将纳米天线阵列的材料表面划分成MxM个亚波长尺寸正方形单元，M为奇数；

(3)在每个正方形单元中心内嵌一个狭缝，所述狭缝与正方形单元的横向边相平行；

(4)以横向第(M+1)/2列上的纵向第(M+1)/2个正方形单元中心为坐标原点建立直角坐标系，以正方形单元所在平面为XY平面，所述坐标系的x轴与正方形单元的横向边相平行，以垂直正方形单元的轴为z轴；

(5)以原点为中心构建一系列同心圆，将XY坐标平面划分成一系列同心环形区域；

(6)再以x轴正向为方位角起始线，从坐标系原点作辐射状射线将同心环形区域等分为P个分区，P为偶数，每个分区再从坐标系原点作射线进一步划分成Q个中心角相等的子区域，Q与要产生的焦点数相等，每个分区的第i个子区域均对应第i个焦点；