一种波长偏振态复用红外超透镜及其构造方法

1.本发明属于光学技术领域，尤其涉及的是一种波长偏振态复用红外超透镜及其构造方法。


背景技术：

2.超表面由二维排列的亚波长微元结构组成，在各种平面光学器件中，超表面由于能对光波的振幅、相位、偏振态、波长等特征分量进行调控，而被用于各种具有特定功能的器件。
3.现有超表面从功能实现方式上可划分为波长复用型超表面和偏振态复用型超表面，但现有超表面通常集中在可见光波段，且是波长单独复用或者偏振态单独复用，现有还没有红外波段的波长偏振态同时复用的超表面。
4.因此，现有技术有待于进一步的改进。


技术实现要素：

5.鉴于上述现有技术中的不足之处，本发明的目的在于提供一种波长偏振态复用红外超透镜及其构造方法，克服现有没有红外波段的波长偏振态同时复用的超表面的缺陷。
6.本发明所公开的第一实施例为一种波长偏振态复用红外超透镜，其中，包括：基底层以及设置于所述基底层上的若干纳米单元，各个所述纳米单元在正交偏振态方向上的尺寸不同，不同尺寸的各个所述纳米单元对应的目标出射光相位满足预设的相位分布，以实现所述红外超透镜对不同波长和不同偏振态的红外入射光的衍射共聚焦。
7.所述的波长偏振态复用红外超透镜，其中，各个所述纳米单元在正交偏振态方向上的尺寸由预先确定的相位分布关系图和预先构建的评价函数确定，所述相位分布关系图为各个所述纳米单元在正交偏振态方向上的尺寸和各个所述纳米单元对应的实际出射光相位的映射关系图，所述评价函数为各个所述纳米单元对应的目标出射光相位和各个所述纳米单元对应的实际出射光相位的对应关系式。
8.所述的波长偏振态复用红外超透镜，其中，所述基底层包括若干基底单元，若干所述基底单元与若干所述纳米单元一一对应，各个所述纳米单元设置于各个所述纳米单元对应的基底单元的中心位置。
9.所述的波长偏振态复用红外超透镜，其中，所述基底层的材料为硅、玻璃、二氟化镁和二氟化钡中的任意一种，若干所述纳米单元的材料为硅、锗或二氧化钛中的任意一种。
10.所述的波长偏振态复用红外超透镜，其中，各个所述基底单元的横截面形状为正方形、长方形或六角形，各个所述基底单元的横截面的各边长度为0.5～1000μm；各个所述纳米单元的横截面形状为矩形、椭圆形或圆形，所述矩形的长和宽为0.1～700μm，所述椭圆形的长轴和短轴长度为0.1～700μm，所述圆形的直径为0.1～700μm。
11.所述的波长偏振态复用红外超透镜，其中，各个所述纳米单元的横截面尺寸与其对应的基底单元的横截面尺寸的比值为0.2～0.7；各个所述纳米单元在其对应的基底单元
上的旋转角为0～360度。
12.所述的波长偏振态复用红外超透镜，其中，所述相位分布公式为：
[0013][0014]
其中，x和y为纳米单元在基底层平面的位置坐标，f为焦距，m＝1或2，λ1为待衍射聚焦的第一偏振态的红外光对应的第一目标波长，λ2为待衍射聚焦的第二偏振态的红外光对应的第二目标波长，为在第一偏振态和第一目标波长的红外光照射下，各个所述纳米单元对应的第一目标出射光相位，为在第二偏振态和第二目标波长的红外光照射下，各个所述纳米单元对应的第二目标出射光相位。
[0015]
所述的波长偏振态复用红外超透镜，其中，所述评价函数为：
[0016][0017]
其中，δ(x，y)为评价值，为在第一偏振态和第一目标波长的红外光照射下，d(x，y)尺寸的纳米单元对应的第一实际出射光相位，为在第二偏振态和第二目标波长的红外光照射下，d(x，y)尺寸的纳米单元对应的第二实际出射光相位。
[0018]
本发明所公开的第二实施例为一种波长偏振态复用红外超透镜的构造方法，其中，包括：
[0019]
获取各个纳米单元在基底层平面的位置坐标，根据各个所述纳米单元在基底层平面的位置坐标确定各个所述纳米单元对应的目标出射光相位；其中，各个所述纳米单元对应的目标出射光相位满足预设的相位分布；
[0020]
根据各个所述纳米单元对应的目标出射光相位、预先确定的相位分布关系图以及预先构建的评价函数，确定各个所述纳米单元在正交偏振态方向上的尺寸；其中，所述相位分布关系图为各个所述纳米单元在正交偏振态方向上的尺寸和各个所述纳米单元对应的实际出射光相位的映射关系图，所述评价函数为各个所述纳米单元对应的目标出射光相位和各个所述纳米单元对应的实际出射光相位的对应关系式；
[0021]
根据各个所述纳米单元在所述基底层平面的位置坐标以及各个所述纳米单元在正交偏振态方向上的尺寸，构造波长偏振态复用红外超透镜。
[0022]
所述的波长偏振态复用红外超透镜的构造方法，其中，所述基底层包括若干基底单元，所述相位分布关系图的确定方法包括：
[0023]
在基底层材料、基底单元形状、基底单元尺寸、纳米单元位置坐标、纳米单元材料、纳米单元形状以及纳米单元旋转角度固定的情况下，通过第一偏振态和第一目标波长的红外光以及第二偏振态和第二目标波长的红外光照射在正交偏振态方向上具有不同尺寸的若干纳米单元的超透镜，获取在正交偏振态方向上具有不同尺寸的各个纳米单元对应的实际出射光相位；
[0024]
根据在正交偏振态方向上具有不同尺寸的各个纳米单元对应的实际出射光相位，确定相位分布关系图。
[0025]
有益效果，本发明根据预设的相位分布选择合适尺寸的纳米单元组成红外超透镜，使构造出的红外超透镜可以对不同波长和不同偏振态的红外入射光实现衍射共聚焦，在激光手术、工业切割、红外成像等领域有重要的应用价值。
附图说明
[0026]
图1是本发明实施例一中提供的波长偏振态复用红外超透镜的结构示意图；
[0027]
图2是本发明实施例提供的纳米单元的主视图；
[0028]
图3是实施例提供的纳米单元的俯视图；
[0029]
图4是本发明实施例提供的10.6μm波长的x线偏振态光照射下的相位分布关系图；
[0030]
图5是本发明实施例提供的9.3μm波长的y线偏振态光照射下的相位分布关系图；
[0031]
图6是本发明实施例提供的待衍射聚焦的第一偏振态和第一目标波长的红外光为10.6μm波段的x线偏振态光和焦距为135μm时，得到的第一目标出射光相位对应的相位分布图；
[0032]
图7是本发明实施例提供的待衍射聚焦的第二偏振态和第二目标波长的红外光为9.3μm波段的y线偏振态光和焦距为135μm时，得到的第二目标出射光相位对应的相位分布图；
[0033]
图8是本发明实施例提供的超透镜对10.6μm波长的x线偏振态光进行衍射聚焦，得到的衍射聚焦效果图；
[0034]
图9是本发明实施例提供的超透镜对9.3μm波长的y线偏振态光进行衍射聚焦，得到的衍射聚焦效果图。
具体实施方式
[0035]
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0036]
现有超表面从功能实现方式上可划分为波长复用型超表面和偏振态复用型超表面，例如：2017年李涛/祝世宁研究组联合蔡定平研究组提出了一种实现消色差亚表面器件的设计原理，成功对1200～1680nm连续波长范围内圆偏振态入射光实现消色差；2018年nanfang yu教授团队提出一种设计方法，实现1200～1650nm波长范围内连续提供近乎恒定的焦距；2019年federico capasso教授团队提出一种偏振态不敏感超透镜，对波长从460nm到700nm的几乎整个可见光谱中实现消色差，同时保持衍射极限的性能；2017年federico capasso教授团队提出了超表面偏振态光学:任意正交偏振态的独立相位控制；2020年thomas zentgraf教授团队提出并演示了利用双折射超表面实现全息加密的不同偏振态态轨道角动量复用等。从以上研究可以看出，现有超表面主要集中在可见光波段，且是波长单独复用或者偏振态单独复用，现有还没有红外波段的波长偏振态同时复用的超表面。
[0037]
为了解决上述问题，本发明提出了一种波长偏振态复用红外超透镜，该超透镜根据预设的相位分布选择合适尺寸的纳米单元组成红外超透镜，使构造出的红外超透镜可以对不同波长和不同偏振态的红外入射光实现衍射共聚焦。如图1～图3所示，本发明的超透镜包括：基底层1以及设置于所述基底层1上的若干纳米单元2，各个所述纳米单元2在正交
偏振态方向上的尺寸不同，不同尺寸的各个所述纳米单元2对应的目标出射光相位满足预设的相位分布，以实现所述红外超透镜对不同波长和不同偏振态的红外入射光的衍射共聚焦。具体应用过程中，所述正交偏振态方向是指需要进行衍射共聚焦的不同波长和不同偏振态的红外入射光对应的偏振态方向，由于不同尺寸的各个所述纳米单元2对应的目标出射光相位满足预设的相位分布，根据预设的相位分布选择合适尺寸的纳米单元组成红外超透镜后，当第一目标波长和第一偏振态的红外光和第二目标波长和第二偏振态的红外光照射到超透镜表面时，基底层1和位于基底层1上的各个纳米单元2会对不同波长、不同偏振态的红外光提供不同的相位调控，实现将第一目标波长和第一偏振态的红外光和第二目标波长和第二偏振态的红外光衍射聚焦到同一个焦点。例如，第一目标波长和第一偏振态的红外光为10.6μm的x线偏振态光，第二目标波长和第二偏振态的红外光为9.3μm的y线偏振态光时，按照本发明实施例构造的超透镜可以实现将10.6μm的x线偏振态光和9.3μm的y线偏振态光衍射聚焦到同一个焦点。
[0038]
在一具体实现方式中，各个所述纳米单元2在正交偏振态方向上的尺寸由预先确定的相位分布关系图和预先构建的评价函数确定，所述相位分布关系图为各个所述纳米单元2在正交偏振态方向上的尺寸和各个所述纳米单元2对应的实际出射光相位的映射关系图，所述评价函数为各个所述纳米单元2对应的目标出射光相位和各个所述纳米单元2对应的实际出射光相位的对应关系式。具体应用过程中，为了使不同尺寸的各个所述纳米单元2对应的目标出射光相位满足预设的相位分布，可以首先根据各个所述预设的相位分布公式确定各个所述纳米单元对应的目标出射光相位，然后通过评价函数从相位分布关系图中选出最接近各个所述纳米单元对应的目标出射光相位的实际出射光相位，并将所述实际出射光相位对应的尺寸作为各个所述纳米单元在正交偏振态方向上的尺寸，该方法设计出的红外超透镜的各个所述纳米单元对应的目标出射光相位满足预设的相位分布，可以实现各个纳米单元为不同波长和不同偏振态的红外入射光提供不同的相位调制。
[0039]
在一具体实施方式中，预设的相位分布公式为：在一具体实施方式中，预设的相位分布公式为：其中，x和y为纳米单元在基底层平面的位置坐标，f为焦距，m＝1或2，λ1为待衍射聚焦的第一偏振态的红外光对应的第一目标波长，λ2为待衍射聚焦的第二偏振态的红外光对应的第二目标波长，为在第一偏振态和第一目标波长的红外光照射下，各个所述纳米单元对应的第一目标出射光相位，为在第二偏振态和第二目标波长的红外光照射下，各个所述纳米单元对应的第二目标出射光相位，预先构建的评价函数的公式为：的评价函数的公式为：其中，δ(x，y)为评价值，为在第一偏振态和第一目标波长的红外光照射下，d(x，y)尺寸的纳米单元对应的第一实际出射光相位，为在第二偏振态和第二目标波长的红外光照射下，d(x，y)尺寸的纳米单元对应的第二实际出射光相位。具体应用过程中，根据预先构建的评价函数和预先确定的相位分布关系图构造的红外超透镜中，各个纳米单元2对应的出射光相位满足公式：
当第一目标波长和第一偏振态的红外光和第二目标波长和第二偏振态的红外光照射到超透镜表面时，基底层1和位于基底层1上的各个纳米单元2会对不同波长、不同偏振态的红外光提供不同的相位调控，实现将第一目标波长和第一偏振态的红外光和第二目标波长和第二偏振态的红外光衍射聚焦到同一个焦点。
[0040]
继续参照图1～图3所示，所述基底层1由若干基底单元11组成，若干所述基底单元11与若干所述纳米单元2一一对应，各个所述纳米单元2设置于各个所述纳米单元2对应的基底单元11的中心位置。各个所述纳米单元的横截面尺寸与其对应的基底单元的横截面尺寸的比值为0.2～0.7。在应用过程中，通过各个基底单元11及各个所述基底单元11对应的纳米单元2对不同波长、不同偏振态的红外入射光提供不同的相位调制，可以将不同波长和不同偏振态的红外入射光衍射聚焦到同一个焦点。
[0041]
继续参照图2和图3所示，各个所述基底单元11的横截面形状为正方形、长方形或六角形，各个所述基底单元11的横截面的各边长度为0.5～1000μm，例如，各个所述基底单元11的横截面形状为正方形，正方形的长和宽为p
x
＝p
y
＝6.2μm。各个所述纳米单元2的横截面形状为椭圆形、圆形或矩形，各个所述纳米单元2的高度为0.75～700μm，当各个所述纳米单元2的横截面形状为矩形时，各个所述纳米单元2的横截面的各边长度为0.1～700μm，当各个所述纳米单元2的形状为椭圆形时，各个所述纳米单元2的横截面的长和宽为0.1～700μm，当各个所述纳米单元2的横截面形状为椭圆形时，各个所述纳米单元的横截面的长轴和短轴长度为0.1～700μm，当各个所述纳米单元2的横截面形状为圆形时，各个所述纳米单元2的横截面的直径为0.1～700μm。例如，各个所述纳米单元2的横截面形状为椭圆形，椭圆形的长轴d
x
＝4.2μm，椭圆形的短轴d
y
＝1.8μm，纳米单元2高度h＝6.8μm。本实施例中通过控制基底单元11和纳米单元2的尺寸对不同波长和不同偏振态的红外入射光进行相位调控，可实现双波长和双偏振态红外光的衍射聚焦。
[0042]
在一具体实施方式中，若干所述纳米单元2的高度相同，若干纳米单元2的尺寸d(x，y)具体是指各个所述纳米单元2在正交偏振态方向上的尺寸，例如，当红外入射光分别为x线偏振光和y线偏振光时，d(x，y)包括d
x
(x，y)和d
y
(x，y)，d
x
(x，y)为各个所述纳米单元2在x线偏振态方向的尺寸，d
y
(x，y)为各个所述纳米单元2在y线偏振态方向的尺寸，当各个所述纳米单元2的横截面形状为矩形时，d
x
(x，y)和d
y
(x，y)分别为各个所述纳米单元2的横截面的长和宽，当各个所述纳米单元2的横截面形状为椭圆形时，d
x
(x，y)和d
y
(x，y)分别为各个所述纳米单元2的横截面的长轴和短轴，当各个所述纳米单元2的横截面形状为圆形时，d
x
(x，y)和d
y
(x，y)为各个所述纳米单元2的横截面直径。因此，本实施例中预先确定的相位分布关系图为各个所述纳米单元的d
x
(x，y)和d
y
(x，y)与各个所述纳米单元对应的实际出射光相位的映射关系图，其包括第一偏振态和第一目标波长的红外光照射下的d
x
(x，y)和d
y
(x，y)与各个所述纳米单元对应的实际出射光相位的映射关系图以及第二偏振态和第二目标波长的红外光照射下的d
x
(x，y)和d
y
(x，y)与各个所述纳米单元对应的实际出射光相位的映射关系图。例如，如图4和图5所示，分别为10.6μm波长的x线偏振态光照射下的相位分布关系图和9.3μm波长的y线偏振态光照射下的相位分布关系图。
[0043]
在一具体实施方式中，所述基底层1的材料为硅、玻璃、二氟化镁和二氟化钡中的任意一种，若干所述纳米单元2的材料为硅、锗或二氧化钛中的任意一种，所述第一偏振态
和所述第二偏振态分别为x正交偏振态和y正交偏振态，或者所述第一偏振态和所述第二偏振态分别为左旋正交圆偏振态和右旋正交圆偏振态，或者所述第一偏振态和所述第二偏振态分别为左旋正交椭圆偏振态和右旋正交椭圆偏振态。例如，本实施例中需聚焦的第一目标波长和第一偏振态的红外光和第二目标波长和第二偏振态的红外光可以分别为10.6μm波长的x线偏振态光和9.3μm波长的y线偏振态光，也可以为10.6μm波长的左旋正交圆偏振态光和9.3μm波长的右旋正交圆偏振态光，还可以为10.6μm波长的左旋正交椭圆偏振态光和9.3μm波长的右旋正交椭圆偏振态光。
[0044]
基于上述波长偏振态复用红外超透镜，本发明实施例还提供一种所述波长偏振态复用红外超透镜的构造方法，包括：
[0045]
s1、获取各个纳米单元在基底层平面的位置坐标，根据各个所述纳米单元在基底层平面的位置坐标确定各个所述纳米单元对应的目标出射光相位；其中，各个所述纳米单元对应的目标出射光相位满足预设的相位分布；
[0046]
s2、根据各个所述纳米单元对应的目标出射光相位、预先确定的相位分布关系图以及预先构建的评价函数，确定各个所述纳米单元在正交偏振态方向上的尺寸；其中，所述相位分布关系图为各个所述纳米单元在正交偏振态方向上的尺寸和各个所述纳米单元对应的实际出射光相位的映射关系图，所述评价函数为各个所述纳米单元对应的目标出射光相位和各个所述纳米单元对应的实际出射光相位的对应关系式；
[0047]
s3、根据各个所述纳米单元在所述基底层平面的位置坐标以及各个所述纳米单元在正交偏振态方向上的尺寸，构造波长偏振态复用红外超透镜。
[0048]
具体地，当需要对不同波长和不同偏振态的红外光进行衍射聚焦时，本实施例中首先获取各个纳米单元在基底层平面的位置坐标，然后根据各个纳米单元在基底层平面的位置坐标确定各个所述纳米单元对应的目标出射光相位；其中，各个所述纳米单元对应的目标出射光相位满足预设的相位分布。在一具体实施方式中，所述相位分布公式为：目标出射光相位满足预设的相位分布。在一具体实施方式中，所述相位分布公式为：其中，x和y为纳米单元在基底层平面的位置坐标，f为焦距，m＝1或2，λ1为待衍射聚焦的第一偏振态的红外光对应的第一目标波长，λ2为待衍射聚焦的第二偏振态的红外光对应的第二目标波长，为在第一偏振态和第一目标波长的红外入射光照射下，各个所述纳米单元对应的第一目标出射光相位，为在第二偏振态和第二目标波长的红外入射光照射下，各个所述纳米单元对应的第二目标出射光相位。如图6和图7所示为待衍射聚焦的第一目标波长和第一偏振态的红外入射光为10.6μm波段的x线偏振态光、待衍射聚焦的第二目标波长和第二偏振态的红外入射光为9.3μm波段的y线偏振态光以及焦距为135μm时，得到的第一目标出射光相位和第二目标出射光相位分别对应的相位分布图。
[0049]
确定各个所述纳米单元对应的目标出射光相位后，根据各个所述纳米单元对应的目标出射光相位、预先确定的相位分布关系图以及预先构建的评价函数，确定各个所述纳米单元的尺寸；其中，所述相位分布关系图为各个所述纳米单元在正交偏振态方向上的尺寸和各个所述纳米单元对应的实际出射光相位的映射关系图，所述评价函数为各个所述纳米单元对应的目标出射光相位和各个所述纳米单元对应的实际出射光相位的对应关系式。
其中，所述评价函数的公式为：其中，所述评价函数的公式为：其中，δ(x，y)为评价值，为在第一偏振态和第一目标波长的红外入射光照射下，d(x，y)尺寸的纳米单元对应的第一实际出射光相位，为在第二偏振态和第二目标波长的红外入射光照射下，d(x，y)尺寸的纳米单元对应的第二实际出射光相位。
[0050]
一般来说，评价值δ(x，y)越小，表明和以及和的偏差越小，构造出的超透镜的共聚焦性能越好，在确定各个所述纳米单元在正交偏振态方向上的尺寸时，可以将相位分布关系图中不同尺寸的纳米单元对应的和代入评价函数中，并选取能够使评价值最小的和耐应的尺寸作为各个所述纳米单元在正交偏振态方向上的尺寸。最后，根据各个所述纳米单元在所述基底层平面的位置坐标以及各个所述纳米单元在正交偏振态方向上的尺寸，构造波长偏振态复用红外超透镜。
[0051]
在一具体实施方式中，为了确定相位分布关系图，本实施例中在基底层材料、基底单元形状、基底单元尺寸、纳米单元位置坐标、纳米单元材料、纳米单元形状以及纳米单元旋转角度固定的情况下，通过第一偏振态和第一目标波长的红外光以及第二偏振态和第二目标波长的红外光照射在正交偏振态方向上具有不同尺寸的若干纳米单元的超透镜，获取在正交偏振态方向上具有不同尺寸的各个纳米单元对应的实际出射光相位，根据在正交偏振态方向上具有不同尺寸的各个纳米单元对应的实际出射光相位，确定相位分布关系图。所述相位分布关系图包括第一偏振态和第一目标波长的红外光照射下的相位分布关系图和第二偏振态和第二目标波长的红外光照射下的相位分布关系图。
[0052]
本发明实施例所述的波长偏振态复用红外超透镜的构造方法为研制用于红外波段的紧凑型光学器件提供了一条有效途径，设计出的波长偏振态复用红外超透镜可以应用于激光手术、红外成像、工业切割、医疗美容等领域，例如，激光外科手术中不同的激光波长对病理组织产生不同的影响，10.6μm波长的激光主要针对软组织外科手术(皮肤科和整形外科、眼科手术、血管内手术)，而9.3μm波长的激光主要用于硬组织外科手术(骨科、牙科)，将本发明的红外透镜应用于激光手术刀可以同时对软硬两种组织进行外科手术，满足现有激光手术系统集成化、微型化、便携化的需求。
[0053]
为了验证本发明实施例设计的红外超透镜的衍射聚焦性能，发明人按照本发明构造方法设计对10.6μm波长的x线偏振态光和9.3μm波长的y线偏振态光具有衍射聚焦功能的红外超透镜，并通过10.6μm波长的x线偏振态光和9.3μm波长的y线偏振态光照射该红外超透镜，得到如图8和图9所示的聚焦效果图。从图8和图9可以看出，按照本发明构造的红外超透镜在10.6μm波长的x线偏振态光和9.3μm波长的y线偏振态光下的衍射聚焦效率分别为55.75％和43.76％，聚焦光斑接近衍射极限的性能指标半峰宽fwhm分别为9.6μm(0.91λ1)、7.6μm(0.82λ2)。
[0054]
综上所述，本发明提供了一种波长偏振态复用红外超透镜及其构造方法，包括：基
底层以及设置于所述基底层上的若干纳米单元，各个所述纳米单元在正交偏振态方向上的尺寸不同，不同尺寸的各个所述纳米单元对应的目标出射光相位满足预设的相位分布，以实现所述红外超透镜对不同波长和不同偏振态的红外入射光的衍射共聚焦。本发明根据预设的相位分布选择合适尺寸的纳米单元组成红外超透镜，构造出的红外超透镜对不同波长和不同偏振态的红外入射光具有衍射共聚焦功能，在激光手术、工业切割、红外成像等领域有重要的应用价值。
[0055]
应当理解的是，本发明的系统应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。