[发明专利]一种偏振无关的超分辨超构透镜及其制造方法在审

专利信息
申请号: 202210741392.1 申请日: 2022-06-27
公开(公告)号: CN114966916A 公开(公告)日: 2022-08-30
发明(设计)人: 周倩;倪凯;闫兵;陆海鸥;廖俊潺 申请(专利权)人: 清华大学深圳国际研究生院
主分类号: G02B3/00 分类号: G02B3/00;G02B27/00
代理公司: 深圳新创友知识产权代理有限公司 44223 代理人: 江耀锋
地址: 518055 广东省深圳市*** 国省代码: 广东;44
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摘要:
搜索关键词: 一种 偏振 无关 分辨 透镜 及其 制造 方法
【说明书】:

发明公开了一种偏振无关的超分辨超构透镜,包括聚焦层、超振荡层和基底层,聚焦层包括聚焦层圆形纳米柱结构单元,超振荡层包括超振荡层圆形纳米柱结构单元,超振荡层圆形纳米柱结构单元和聚焦层圆形纳米柱结构单元分别垂直分布于基底层的两侧,底面圆心位于基底层两侧平面相同X、Y位置处的聚焦层圆形纳米柱结构单元与超振荡层圆形纳米柱结构单元轴线重合,聚焦层使入射光由平面波前变为汇聚波前以形成聚焦光束,超振荡层通过对入射光进行快速的相位振荡来激发超振荡光场以实现超衍聚焦。本发明超构透镜中所有的结构单元均采用偏振不敏感的圆形纳米柱,使超构透镜能实现对各种偏振态入射光的超衍聚焦。

技术领域

本发明涉及新型人工电磁材料和微纳光子学领域,尤其是涉及一种偏振无关的超分辨超构透镜及其制造方法。

背景技术

传统透镜受限于自然材料的选择范围和物理特性,通常具有较大的体积和重量。随着集成化、微型化和便携式光学设备逐渐成为发展趋势,传统透镜显然已不适用,而超构透镜的出现给微型光学设备的发展带来了更多的可能性。超构透镜(Metalens)是由亚波长结构单元组成的平面光学器件,它体积小、质量轻、可实现对入射光的任意调控;另外,超透镜相比传统透镜最独特的优势之一,就是能通过特殊的表面结构设计,只用一个透镜实现超分辨成像。然而,在现有的设计中,具有超分辨特性的超构透镜通常是偏振敏感的,只适用于特定的偏振光,这严重限制了它的应用场景。

为突破衍射极限,国内外进行了很多相关探索,包括利用表面等离激元的短波长效应、分子荧光技术等;然而,这些方法不可避免地受到复杂的近场操作或荧光染料标记的限制。近年来,随着超振荡理论的发展和完善,光学超分辨领域迎来了新的发展契机。超振荡现象是光场相干叠加的结果,可以在远场区域实现任意小的焦斑分布。基于光学超振荡理论,许多科研人员投入到超振荡光场调控的超分辨超构透镜的研究设计中。2015年,中科院光电技术研究汤东亮采用亚波长矩形孔结构构建了宽带超振荡光场,在可见光到近红外波段范围内实现了0.674倍衍射极限的宽带聚焦超构透镜。2020年,重庆大学陈刚课题组设计了一种高数值孔径的超振荡超构透镜,在4°的视场内可实现约0.874倍衍射极限的聚焦效果。2020年,朱磊设计了一种级联校像差型的超振荡超构透镜,在0-25°的入射角范围内,实现了约0.75倍衍射极限的超分辨聚焦。然而,现有的这些超分辨超构透镜在设计中均采用几何相位调控来实现相位调制,故只能在圆偏振光入射下实现超衍聚焦,这极大程度地限制了超分辨超构透镜的应用。

需要说明的是,在上述背景技术部分公开的信息仅用于对本申请的背景的理解,因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本发明的目的在于克服上述背景技术中现有的超构透镜不能实现对各种偏振态入射光的超衍聚焦的缺点,提供一种偏振无关的超分辨超构透镜及其制造方法。

为实现上述目的,本发明采用以下技术方案:

一种偏振无关的超分辨超构透镜,包括聚焦层、超振荡层和基底层,所述聚焦层包括聚焦层圆形纳米柱结构单元,所述超振荡层包括超振荡层圆形纳米柱结构单元,所述超振荡层圆形纳米柱结构单元垂直分布于所述基底层的一侧平面,所述聚焦层圆形纳米柱结构单元垂直分布于所述基底层的另一侧平面,底面圆心位于基底层两侧平面相同X、Y位置处的所述聚焦层圆形纳米柱结构单元与所述超振荡层圆形纳米柱结构单元的轴线重合,所述聚焦层使入射光由平面波前变为汇聚波前以形成聚焦光束,所述超振荡层通过对入射光进行快速的相位振荡来激发超振荡光场以实现超衍聚焦。

在一些实施例中,所述聚焦层目标位置所对应的目标相位由以下公式计算:

其中,λ为透镜工作波长,f为透镜的焦距,x、y为目标位置相对于透镜中心的坐标。

在一些实施例中,所述超振荡层圆形纳米柱结构单元包括第一类结构单元和第二类结构单元,第一类结构单元与第二类结构单元相位差为π,以不同归一化半径跳变位置在基底层上呈同心环状分布。

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