一种大口径多波长偏振复用超透镜设计方法

本发明涉及微纳光子学，特别是涉及一种大口径多波长偏振复用超透镜设计方法。

背景技术：

1、随着科技的进步，光学系统中对于高性能镜头的需求日益增加，尤其是在高分辨率成像、深空探测和高精度测量等领域。传统的光学透镜在特定波长下可以实现优质的聚焦或其他功能，但是对于多波长的应用存在一些限制。已有的大口径透镜技术主要基于折射和反射原理。然而，当需要处理多波长的光时，由于不同波长的光折射率不同，会产生色差，这可能导致成像质量下降。为了解决这个问题，一些多元素透镜组合被开发出来，但这增加了系统的复杂性和成本。此外，偏振复用技术在光通信、遥感和医疗成像等领域有着广泛的应用。然而，传统的偏振复用技术需要额外的偏振元件，这可能导致系统变得更加复杂和沉重。

2、光学超构表面是一种二维的平面光学元件，由大量微小且紧凑的微结构组成，每个微结构都经过精心设计并会对入射光单独进行调制，从而使得整个超构表面能够应用于调制和控制光的传播方向、极化状态、波前相位等光学性质。其物理原理基于衍射理论和相位调制原理。

3、衍射是光经过边缘或障碍物时产生的弯曲现象，其产生的原因是光波在传播过程中受到了不同方向上的干涉。在光学超构表面中，微结构的周期性排布导致了衍射效应。当平面波垂直入射到光学超构表面上时，它会被微结构反射和散射。由于微结构的周期性，入射光会发生衍射，不同衍射波的相位和幅度受微结构几何信息的影响。通过精确设计和制造超构表面上的微结构，就可以实现在特定方向上反射或透射光，并调制光的波前相位。

4、目前的超透镜技术可以实现亚波长分辨率，但大多数超透镜设计都是为单一波长优化的，且在大口径应用中存在挑战。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是提供一种大口径多波长偏振复用超透镜设计方法，能够在不增加系统复杂度的情况下扩大超透镜的口径。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种大口径多波长偏振复用超透镜设计方法，包括以下步骤：

3、采用偏振敏感型超构表面结构作为超构表面单元；

4、通过仿真软件进行参数扫描，得到所述超构表面单元的相位调控、透过率调控能力与所述超构表面单元参数的关系，并形成参数空间；

5、计算超透镜上给定位置(x,y)处的相位，并从所述参数空间中寻找合适的结构进行填充，得到工作在单个波长的超构表面阵列；

6、将两个工作在单个波长的超构表面阵列稀疏化，并集成到一片超构表面上，得到在两个工作波长下均实现预期功能的多波长偏振复用超构表面透镜。

7、所述偏振敏感型超构表面结构为椭圆柱超构表面结构。

8、所述椭圆柱超构表面结构包括基底和椭圆柱，所述基底为立方体结构，所述椭圆柱固定在所述基底顶面中心处；所述椭圆柱的柱高和所述超构表面单元的周期固定不变；所述超构表面单元参数为所述椭圆柱的长半轴和短半轴。

9、所述超透镜上给定位置(x,y)处的相位通过计算得到，其中，为超透镜上给定位置(x,y)处的相位，λ为工作波长，f为设计焦距，l为拓扑电荷数，用于区分不同偏振光入射下的功能，θ为方位角坐标，表示为：

10、

11、所述将两个工作在单个波长的超构表面阵列稀疏化，并集成到一片超构表面上，得到在两个工作波长下均实现预期功能的多波长偏振复用超构表面透镜，具体为：分析理论相位分布在超表面上的梯度分布，选择功能最适配的稀疏化方案，分别对两个工作在单个波长的超构表面阵列采用所述最适配的稀疏化方案进行稀疏化处理，将稀疏化处理后的两个工作在单个波长的超构表面阵列沿径向方向交替设置，并集成到一片超构表面上形成复合阵列，所述复合阵列的每一环的环宽固定。

12、有益效果

13、由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明采用空间复用的方法在不需要额外的偏振元件的情况下，解决了多波长的光存在色差问题，并且扩大了超透镜的口径。

技术特征：

1.一种大口径多波长偏振复用超透镜设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的大口径多波长偏振复用超透镜设计方法，其特征在于，所述偏振敏感型超构表面结构为椭圆柱超构表面结构。

3.根据权利要求1所述的大口径多波长偏振复用超透镜设计方法，其特征在于，所述椭圆柱超构表面结构包括基底和椭圆柱，所述基底为立方体结构，所述椭圆柱固定在所述基底顶面中心处；所述椭圆柱的柱高和所述超构表面单元的周期固定不变；所述超构表面单元参数为所述椭圆柱的长半轴和短半轴。

4.根据权利要求1所述的大口径多波长偏振复用超透镜设计方法，其特征在于，所述超透镜上给定位置(x,y)处的相位通过计算得到，其中，为超透镜上给定位置(x,y)处的相位，λ为工作波长，f为设计焦距，l为拓扑电荷数，θ为方位角坐标，表示为：

5.根据权利要求1所述的大口径多波长偏振复用超透镜设计方法，其特征在于，所述将两个工作在单个波长的超构表面阵列稀疏化，并集成到一片超构表面上，得到在两个工作波长下均实现预期功能的多波长偏振复用超构表面透镜，具体为：分析理论相位分布在超表面上的梯度分布，选择功能最适配的稀疏化方案，分别对两个工作在单个波长的超构表面阵列采用所述最适配的稀疏化方案进行稀疏化处理，将稀疏化处理后的两个工作在单个波长的超构表面阵列沿径向方向交替设置，并集成到一片超构表面上形成复合阵列，所述复合阵列的每一环的环宽固定。

技术总结
本发明涉及一种大口径多波长偏振复用超透镜设计方法，包括以下步骤：采用偏振敏感型超构表面结构作为超构表面单元；通过仿真软件进行参数扫描，得到所述超构表面单元的相位调控、透过率调控能力与所述超构表面单元参数的关系，并形成参数空间；计算超透镜上给定位置(x,y)处的相位，并从所述参数空间中寻找合适的结构进行填充，得到工作在单个波长的超构表面阵列；将两个工作在单个波长的超构表面阵列稀疏化，并集成到一片超构表面上，得到在两个工作波长下均实现预期功能的多波长偏振复用超构表面透镜。本发明能够在不增加系统复杂度的情况下扩大超透镜的口径。

技术研发人员：李伟,商祥烁,黄海阳,李娜,李顺尧
受保护的技术使用者：中国科学院上海微系统与信息技术研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/2/19