离散波长消色差超构透镜的性能分析

在消色差的结构优化中,超构透镜的尺寸、消色差带宽及数值孔径具有内在制约关系,很难获得高效率的大尺寸消色差透镜。离散波长消色差设计将打破宽带消色差的参数制约,有望获得更高效率的成像性能。本文通过引入相位色散空间的概念,理论上阐明了离散波长消色差的效率变化规律,证明了离散波长消色差超构透镜在聚焦效率上优于宽带消色差超构透镜。计算结果表明,双波长消色差超构透镜效率大概为宽带消色差超构透镜的4倍,相关结果通过设计相应的超构透镜进行仿真模拟得到验证。进一步揭示并解释了离散波长消色差的聚焦效率会随消色差的频率间隔增大呈现出先下降后上升的规律。     

长红外双波长共聚焦超透镜设计研究

本文提出并设计了一种由简单微元结构组成的超透镜,可同时实现长红外双波长共聚焦功能.基于广义斯涅耳定律和传输相位调制机理,通过建立科学评价函数选取最优的微元结构排列组成超透镜.设计结果表明,该超透镜实现了波长为10.6和9.3μm的双波长共聚焦,且具有较高聚焦效率、聚焦光斑接近于衍射极限,并定量分析了超透镜微元结构参数冗余度,得到其对聚焦效率的影响趋势.本文设计的超透镜有望满足长红外光学共聚焦系统集成化、微型化的需求,在激光外科手术、工业切割焊接等领域有着重要的应用价值.     

近红外超透镜的设计与制备

超透镜是基于超表面的成像器件，能够精确调控光的相位、偏振、振幅，具有轻薄、易集成、平面化的优点。针对近红外成像器件的小型化、集成化发展趋势，基于非晶硅材料设计制备了近红外偏振不敏感超透镜。针对超透镜的基元结构选择问题，对比了采用8阶、6阶基元设计的超透镜聚焦效率；为提高加工容差和降低加工难度，采用了最大深宽比为6的8阶基元设计超透镜；针对超透镜仿真与加工之间跨度大的问题，利用化学气相沉积的方法生长了600 nm厚度的多晶硅，利用电子束刻蚀等工艺制备了超透镜样品。测试结果表明:超透镜形貌结构良好，聚集效率为65%。     

用于曲面集成成像的微透镜数值孔径优化

针对目前集成成像3D显示系统存在视场角范围小以及重构图像分辨率低的问题,设计一种适用于曲面集成成像3D显示且具有不同数值孔径的柔性微透镜阵列结构,并成功搭建基于曲面屏的集成成像3D显示系统。采用Trace Pro光学仿真软件建立曲面集成成像3D显示系统模型,研究微透镜的数值孔径对曲面集成成像3D显示系统重构性能的影响规律。结果表明：当微透镜尺寸和厚度一定时,数值孔径越大,重构图像的质量越好,且视场角越大;当柔性微透镜阵列的数值孔径为0.376时,重构图像具有较高的分辨率,当视场角达到60°时,重构图像依然清晰。为了验证仿真,制备具有不同数值孔径的柔性微透镜阵列并搭建曲面集成成像系统样机,得到的实验结果与仿真结果基本一致。     

表面等离子体平面金属透镜及其应用

由于衍射极限的存在,传统光学透镜成像分辨率理论上只能达到入射光波长的一半。通过恢复和增强携带物体细部特征信息的高频倏逝波,基于表面等离子体的平面金属透镜有望突破这种光学衍射极限,实现超分辨成像。本文对平面薄膜式与纳米结构式两类平面金属透镜进行了综述,详细介绍了若干典型平面金属透镜的结构设计、工作机理及其聚焦性能,并对其特点与存在的问题进行了分析与讨论。由于光波在金属中传播时存在一定损耗,如何更高效地增强高频倏逝波信号并转换成传播波,使其参与成像,以更好地实现远场超分辨成像,以及如何进一步增大近场超高分辨率聚焦光斑焦深以及减小远场聚焦光斑尺寸,是表面等离子体平面金属透镜进一步研究的重点。     

中红外宽带消色差超透镜的设计

中红外热成像系统是通过探测物体本身的辐射进行成像，不需要外部光源。而传统的中红外热成像系统体积大，不利于小型化。本文基于传输相位理论，采用时域有限差分（FDTD）法，使用FDTD软件计算仿真，探究了不同的单元半径、纳米柱高度及单元周期对相位延迟及透过率的影响，并且针对不同的纳米柱半径，利用传输相位调控实现中红外（3～5μm）波长下全介质硅材料的宽带消色差超透镜设计。其数值孔径为0.24，仿真焦距值为147.3μm，半峰全宽（FWHM）为8.11μm，透镜透过率达到70%。设计的超透镜不仅体积小、质量轻、全波长聚焦效率可达到54%，而且为平面透镜，因此易于光学系统集成，在红外成像、红外夜视仪、红外遥感等技术中展现出广阔的应用前景。     

超透镜聚焦光环的产生及其在冷分子光学囚禁中的应用

超表面可以对入射光场的相位、偏振、幅度等自由度进行精确调控,为发展下一代基于量子态片上实验平台提供了一种新途径,具有重要的应用前景.本文提出了一种新型的超表面结构,即具有不同占空比的硅结构光栅单元构成的超透镜,在焦平面上可形成聚焦光环.研究了在焦平面上环形光场的强度分布和不同数值孔径超透镜的聚焦特性.采用这种超透镜聚焦光环来构建一个氟化镁(MgF)分子的光学存储环,计算了MgF分子在聚焦光场中所受的光学势和偶极力,对MgF分子束在存储环运动过程进行了Monte-Carlo模拟.研究结果表明,设计的超表面结构具有很好的聚焦特性,聚焦光环的光场强度比入射光增强了55.1倍;同时可以实现对MgF分子的装载并囚禁在表面存储环内.     

基于伴随仿真的偏振复用超构透镜

偏振成像技术在目标探测、生物医学等领域具有重要应用价值,基于超构表面设计的偏振成像系统可以有效避免传统偏振成像系统存在的结构复杂、体积和质量大等问题,有利于实现光学系统微型化、轻量化和集成化。然而,传统超构表面设计方法忽略了超构表面结构的局部非周期性引起的近场电磁耦合,在大数值孔径的条件下会严重影响器件的衍射效率。为了解决这个问题,本文提出了一种基于边界优化的偏振复用超构透镜设计方法,并由此设计了一种能对x和y偏振光独立调控的大数值孔径(～0.94)偏振成像超构透镜。在基于人工择优初始结构的优化设计中,通过参数扫描、人工择优的传统设计方法得到超构透镜初始结构,然后通过边界优化方法对超构透镜进行进一步的优化,其衍射效率相比于优化前可以提高20%左右;在基于均匀阵列初始结构的优化设计中,通过20次左右的迭代,超构透镜衍射效率可以达到92%左右。本文提出的优化设计方法可有效提高偏振复用超构表面器件效率,并且能够简化多功能超构表面的设计步骤,在偏振成像、光通信等领域具有应用前景。     

超表面透镜的像差分析和成像技术研究

传统光学透镜及光学系统基于光传播效应实现电磁波调控功能,其体积较大、不易集成。而超表面是由人工亚波长尺度单元构成的二维平面结构,由于其相对于传统透镜具有超薄的优势,并且可以实现对光场的任意调控,近年来在光学成像领域得到广泛研究和应用。本文阐述了超表面透镜的工作原理,分析了超表面成像透镜的单色像差和色像差成因以及对应的像质评价方法,之后综述了超表面成像透镜的研究现状及应用,最后总结了超表面在成像领域尚且存在的问题及其未来发展方向。超表面透镜便于集成、设计自由度高,有望在诸多应用领域取代传统成像器件,基于超表面的高效率、大视场、宽带、可重构可调谐成像器件将成为其未来重要发展方向。     

高数值孔径聚焦三维光链的研究

通过设计衍射光学元件对入射矢量光进行调制，在高数值孔径聚焦系统焦点附近产生沿光轴方向的三维多点光俘获结构——光链.并针对不同的入射矢量偏振、聚焦透镜的数值孔径以及衍射光学元件结构，对光链性能的影响分别进行了系统的分析，实现对该独特光俘获结构的可控性研究. 关键词： 衍射光学元件 矢量光 光镊     

Tight focusing properties of double-ring-shaped azimuthally polarized beam through annular high numerical aperture

基于Richards-Wolf矢量衍射积分公式,研究了双环角向偏振光束经环状高数值孔径透镜的聚焦特性,推导了双环角向偏振光束经环状透镜深聚焦的光强表达式.根据数值模拟结果,比较了相关参量的变化对深聚焦特性的影响.研究表明:入射光束经环状高数值孔径透镜聚焦后,在焦平面得到了具有广泛应用的亚波长空心光斑,并且入射光束的相关参数和聚焦透镜的数值孔径大小都会影响光束的聚焦特性,使聚焦空心光斑达到亚波长量级;双环角向偏振光束经环状高数值孔径透镜的聚焦以后,在焦平面附近产生了一个更长的焦深(约28倍入射光波长).     

室内可见光通信系统中菲涅尔透镜接收天线的设计研究

针对基于白光LED室内可见光无线光通信技术的应用需求, 设计了等齿距平面菲涅尔透镜. 相比常规透镜光接收天线, 菲涅尔透镜具有聚焦能力强、焦距短、透镜厚度薄、重量轻、成本低等优点. 利用Trace pro软件对设计进行了模拟仿真, 分析了透镜不同设计参数对接收天线光学增益、光学效率及光斑尺寸的影响, 讨论了透镜在平行光斜入射时的会聚情况. 结果表明, 平面点聚焦菲涅尔透镜的光学效率可达92.1%, 适用于小视场、高增益接收光学系统前端.     

近红外偏振无关超透镜研究

基于微纳结构对光波调控实现聚焦与成像的超透镜是目前国际上竞相发展的前沿技术。本文针对目前已报道的近红外超透镜偏振相关、系统复杂以及透过率低等难题，提出了一种偏振无关的近红外超透镜。以低折射率材料SiO₂为基底，高折射率材料Si圆形柱为相位调控单元，设计波长为1.31 μm。利用时域有限差分方法分析了近红外超透镜构建单元的光波调控特性，构建了构建单元的相位延迟特性曲线，探究了构建单元周期对光波透过率的影响规律，实现了构建单元的优化设计，并基于波前重构方程，设计出偏振无关的近红外超透镜。数值仿真结果表明:相位调控单元的相位延迟与透过率不仅取决于Si圆形柱半径、高度，而且与单元周期密切相关；基于分析的构建单元光波调控特性，设计的近红外偏振无关超透镜焦距仿真值为19 μm，与设计值较好吻合，透镜透过率达到65%。设计的超透镜不仅体积小、质量轻，而且为平面透镜，因此易于光学系统集成，在激光雷达、激光夜视等技术中展现出广阔的应用前景。     

双环角向偏振光束深聚焦特性

基于Richards-Wolf矢量衍射积分公式,研究了双环角向偏振光束经环状高数值孔径透镜的聚焦特性,推导了双环角向偏振光束经环状透镜深聚焦的光强表达式。根据数值模拟结果,比较了相关参量的变化对深聚焦特性的影响。研究表明:入射光束经环状高数值孔径透镜聚焦后,在焦平面得到了具有广泛应用的亚波长空心光斑,并且入射光束的相关参数和聚焦透镜的数值孔径大小都会影响光束的聚焦特性,使聚焦空心光斑达到亚波长量级;双环角向偏振光束经环状高数值孔径透镜的聚焦以后,在焦平面附近产生了一个更长的焦深（约28倍入射光波长）。     

周期性和孤立的纳米结构的超透镜亚波长成像（英文）

超透镜光刻技术是一种很有前景的纳米结构成像技术,由于其具有可以克服衍射极限的能力,直到2005年,张翔和他的同事在365nm紫外线波长下成功的对一排纳米线和刻在高分子膜上的四个字母"NANO"实现了超分辨成像,分辨率高达1/6入射波长。通过传递矩阵方法优化出超透镜结构,并通过选择适当的材料和设计在超透镜结构中的每个层的厚度以及合理的优化实验等方法制备一个新的超透镜结构,利用这种超透镜结构实现了周期性纳米结构及孤立纳米结构的亚波长成像。实验结果表明,对于周期性的纳米结构,其图像分辨率达到100nm,而孤立结构的分辨率低于50nm,小于入射波长的1/7。     

周期性和孤立的纳米结构的超透镜亚波长成像

超透镜光刻技术是一种很有前景的纳米结构成像技术,由于其具有可以克服衍射极限的能力,直到2005年,张翔和他的同事在365 nm紫外线波长下成功的对一排纳米线和刻在高分子膜上的四个字母NANO实现了超分辨成像,分辨率高达1/6入射波长。通过传递矩阵方法优化出超透镜结构,并通过选择适当的材料和设计在超透镜结构中的每个层的厚度以及合理的优化实验等方法制备一个新的超透镜结构,利用这种超透镜结构实现了周期性纳米结构及孤立纳米结构的亚波长成像。实验结果表明,对于周期性的纳米结构,其图像分辨率达到100 nm,而孤立结构的分辨率低于50 nm,小于入射波长的1/7。     

基于表面等离子体激元耦合相位板超聚焦透镜结构的优化设计

基于银板超透镜和多带相位二元光学衍射理论,提出一种超聚焦透镜结构.利用时域有限差分和标量衍射理论数值分析显示,这种超透镜在可见光范围,具有单一焦点,焦斑尺寸约0.36 λ,聚焦位置和焦深可达10 λ以上,在近场光学扫描显微镜和超分辨成像及光刻等系统中有潜在应用前景.     

单层超薄高效圆极化超表面透镜

针对超表面在透镜方面的应用, 本文设计了一种交叉极化透射聚焦超表面, 实现了将圆极化波转化为交叉极化波的同时聚焦电磁波的功能. 设计了一款旋转型单元, 单元为一层且厚度仅为1.5 mm, 分析了旋转型单元提供不同相移的原理并设计了相邻单元相移差为60°的相位梯度超表面, 在中心频率f=15 GHz附近发生奇异折射, 折射角与理论计算结果一致, 验证了设计单元的有效性, 基于该单元设计了尺寸为90 m mm×90 mm、单元数为15×15 的透射型聚焦超表面, 在中心频率f=15 GHz附近, 左旋圆极化平面波照射时, 透射波聚焦于L=40 mm 的实焦点且透射波为照射波的交叉极化波. 该超表面透镜效率高、厚度薄且为单层, 易于加工, 相对于传统透镜, 优势明显, 在操控电磁波、改善透镜性能方面有潜在应用价值.     

超分辨波长调控变焦超透镜

提出了一种超分辨波长调控变焦超透镜的设计方法，同时对相位、色散、振幅进行调控，在提升超透镜轴向变焦能力的基础上，采用分层粒子群优化（HPSO）算法不断压缩超透镜的点扩散函数，使超透镜的半峰全宽（FWHM）不断逼近甚至小于衍射极限0.5λ/NA(NA为数值孔径)。作为理论验证，设计了一种工作在68～80μm波长范围内的超分辨波长调控变焦超透镜。仿真结果表明，其轴向变焦能力约为常规衍射超透镜的1.52倍，在73～78μm波长范围内的横向分辨率小于衍射极限。     

铜材料X射线聚焦组合透镜的设计与制作

铜材料X射线聚焦组合透镜是一种基于折射效应的X射线聚焦元件。简单介绍了组合透镜的设计理论研究结果,并据此对材料作了选择。针对铜材料组合透镜,分析了组合透镜结构参数、X射线工作波长的选择对组合透镜光学性能的影响。在此基础上,设计了组合透镜的结构参数,使其在硬X射线波段具有较好的聚焦性能,并能获得较高的焦斑强度。采用准LIGA技术制作了铜材料X射线组合透镜,给出了部分铜材料X射线组合透镜结构测量结果。