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。     

亚波长金属聚焦透镜结构参数的优化与分析

提出同时优化亚波长金属透镜结构凹槽宽度和深度,以改善亚波长金属透镜的聚焦特性.基于有限时域差分法,详细研究了凹槽宽度和深度变化对其焦斑的峰值半宽、焦斑强度、归一化聚焦效率以及焦距的影响.通过探讨金属透镜的聚焦规律及其物理机理,给出了金属透镜的优化设计方法,为利用金属透镜实现光波的纳米聚焦及灵活操控提供了理论基础.     

高性能近红外聚合物超透镜的逆向设计

传统的光学透镜存在体积较大、聚焦效率低、焦点半峰全宽较大以及在高数值孔径的透镜中性能表现不佳等问题。而光学超表面凭借其自身的亚波长结构,具有强大的操控光相位的能力。相比于传统透镜,超透镜具有尺寸小、厚度薄以及聚焦性能好等优点。本文提出一种基于目标优先算法的逆向设计方法,设计了一种基于低折射率聚合物材料的超透镜结构。其在传播方向上的厚度仅为3.2μm,在1550 nm的工作波长下,数值孔径为0.82,聚焦效率为72%。较传统设计方法而言,该方法具有计算复杂度低和设计效率高等优点。设计的器件可采用高精度微纳打印技术实现批量化的快速制造。考虑到超透镜在制备过程中存在制造容差,进一步讨论了超透镜轮廓偏移以及三维旋转操作对所设计的二维超透镜的影响。     

介质填充型二次柱面等离激元透镜的亚波长聚焦

本文提出了一种亚波长聚焦的表面等离激元透镜,该透镜由二氧化硅填充金膜纳米狭缝阵列组成,金膜的出射表面为二次柱面.表面等离激元在狭缝入口处激发并沿狭缝传输,在狭缝出口转变为带有一定相位延迟的自由空间传播的光波.通过对透镜结构参数的控制,可以调节来自各狭缝的光波间的相对相位,使它们在设定的焦点处进行相长干涉,从而实现聚焦效果.本文用时域有限差分法数值计算了二次柱面等离激元透镜的聚焦特性.数值模拟结果表明,所设计的孔径为2μm的透镜,能够实现微米级焦距和焦深、且焦斑半高宽低至0.4倍波长的亚波长聚焦.该表面等离激元透镜结构简单紧凑、尺寸小,有利于光子器件的集成,在集成光学、光学微操纵、超分辩率成像、光存储、生化传感等相关领域有潜在的应用价值.     

基于偏振响应的双焦点超表面透镜设计

设计了一种在轴向能够实现焦点延长的双焦点超表面聚焦透镜.改变二氧化钛纳米微元的长宽比和旋转角度,对传输相位与几何相位进行同时调制,实现对一组正交偏振态入射光的分别独立控制.设计的超构表面能将左旋和右旋圆偏振光聚焦在轴向邻近位置实现焦点长度的轴向扩展.超表面在波长为650nm的线偏入射光照明下,可以在实现焦点长度2倍扩展的同时,较好地保持焦点的横向宽度.若入射光为椭圆偏振态,还能够实现最终生成的焦点形状优化或两个焦点的切换.     

大焦深离轴超透镜的设计与制作

基于单层超表面结构,设计并制作了一种具有大焦深的离轴超透镜.利用相位叠加的设计方法,将偏转与聚焦这两个功能合二为一以实现离轴聚焦,并通过优化入射孔径和离轴偏转角来增大焦深.实验结果表明:当入射电磁波的频率为9 GHz时,离轴偏转角为27.5°,焦距为335.4 mm,这与30°和350 mm的预设值比较符合.在8,9和10 GHz三个频率下的焦深分别为263.2,278.5和298.2 mm,分别对应波长的7.02倍、8.36倍和9.98倍.该离轴超透镜结构简单,具有良好的离轴聚焦能力和较大的焦深,这在小型化、平面化的大焦深成像系统以及离轴光学系统中具有潜在的应用前景.     

闪耀型亚波长光栅透镜的柱矢量光聚焦优化和调控

柱矢量光束的紧聚焦在光学微操纵、光学存储、激光微加工、超分辨率成像和粒子加速等领域发挥着重要作用。亚波长光栅平凹透镜对柱矢量光束的紧聚焦的能力仍有提升空间,本文利用闪耀结构将光的能量从零级转移并集中到-1级,对亚波长光栅平凹透镜的聚焦性能进行优化。提高了透镜的衍射效率,增强了焦场的能量。通过调整高斯径向偏振光的形状参数,改变入射光振幅及入射区域半径实现对焦场能量的动态调控。进一步地,调控柱矢量光束的偏振组分能够直接有效地横向调制焦场,获得多样化形貌的焦斑。本文的优化手段对于其他光栅透镜也具有参考意义,该研究结果在超分辨率成像以及光场调控等领域具有潜在的应用价值。     

简单结构超表面实现波长和偏振态同时复用全息显示新方法

本文基于衍射光学设计理论,提出了仅用一种简单结构实现波长和偏振态同时复用全息显示新方法.构建了不同入射条件下超表面微元的结构参数与透过相位之间的映射关系,建立了科学的评价函数,优化得到超表面每个像素点处最优的单一结构超表面微元尺寸.仿真结果表明,本文设计的超表面实现了波长为532 nm的x线偏振光和波长为633 nm的y线偏振光入射显示不同形状字符的功能.     

径向偏振光下的长焦、紧聚焦表面等离子体激元透镜

表面等离子体激元透镜(plasmonic lens, PL)是一种通过激发和操控表面等离子体激元 (SPPs), 突破衍射极限, 实现亚波长紧聚焦的纳米光子器件. 如何实现高效率的紧聚焦及调控, 一直是研究PL的重点. 如果选取电矢量沿径向振动的径向偏振光作为PL的入射光, 可从各个方向激发SPPs, 提高紧聚焦的能量效率. 本文提出了一种在径向偏振光激发下的长焦深、长焦距、亚波长紧聚焦的表面等离子体激元透镜, 该透镜由中心T 形微孔、阶梯形同心环和同心环结构组成. 本文首先利用有限元方法数值分析了中心微孔-同心环结构透镜的聚焦特性, 结果显示径向偏振光由底部入射可高效激发SPPs, 并且中心微孔透射光与散射至自由空间的SPPs由于多光束干涉形成了紧聚焦. 为进一步压缩焦斑、增加焦距、加深焦深、改善透镜聚焦特性, 本文引入中心T形微孔-阶梯形同心环结构, 从而对阶梯表面的SPPs同时提供了相位调制和传播方向的控制. 经过参数优化, 该透镜结构实现了光斑焦深、半高宽、焦距分别是入射光波长的2.5倍、0.388 倍、3.22倍的亚波长紧聚焦; 而且该透镜具有结构紧凑、尺寸小、易于集成的优点, 满足了纳米光子学对于器件微型化和高度集成化的要求. 该研究结果在纳米光子集成、近场光学成像与探测、纳米光刻等相关领域具有潜在的应用价值.     

平面波透射聚焦超表面结构设计

为实现单个平面透镜在10.6!m波长处的会聚功能,本文设计并制备了一种一维亚波长光栅面型超表面(electromagnetic meta-surface)。基于电磁谐振现象,利用双条形介质耦合结构模型设计了会聚超表面单元结构,并采用FDTD Solution软件进行仿真计算证明了其对光波位相的调制作用,筛选出了10个位相梯度。通过对10个位相梯度的自由组合形成会聚超表面平面透镜,并进行了实验验证。实验结果表明:在设计波长上,超表面平面透镜对TM模式平面波能够较好地实现透射会聚的功能,焦距为49mm,会聚光斑最小宽度是0.7mm,工作效率达到60%。     

用于雪崩光电探测器响应度增强的超透镜设计与仿真

超透镜除了可以实现传统透镜的聚焦和成像功能之外,还可通过对超构单元的设计实现对光场偏振、波长和振幅等的多维度操控,由于体积薄、重量轻、成本低、易集成,其在光电子器件领域中开始崭露头角,已经成为当前的研究热点和重要方向。本文采用时域有限差分算法(Finite-difference time-domain,FDTD)设计并优化了基于InGaAs雪崩探测器原位集成的超透镜,同时估算了超透镜的聚焦效率和透射率。仿真结果表明,超透镜将入射光会聚至探测器的光敏区中,透射率达到82.8%,并且在目标焦距150μm、超透镜半径50μm时聚焦效率达到84.89%。为进一步提高透射率,在超透镜表面增加抗反射层(AR Layer)。结果表明,300nm的SiO₂层透射率达到最大值86.6%,250 nm的SiN层透射率达到最大值87.6%,透射率比未增加AR层时分别增加了3.8%和4.8%。最后计算得出集成超透镜的探测器吸收区光场能量比未集成超透镜的探测器吸收区光场能量提升了250.96倍,将极大提升探测器的响应度。本文提出了单片集成超透镜的雪崩探测器设计方案,将雪崩探测器光敏区之外的...     

非真空传输的高效交叉偏振滤波设计与产生

采用常规透镜设计了适用于非真空环境中交叉偏振波(XPW)产生的双透镜聚焦系统,在相对较短的距离实现了长焦透镜聚焦的效果,并测量了聚焦后的激光脉冲,发现其没有显著的非线性相位积累,保证了激光光束质量.在非真空中采用双BaF_2晶体得到了XPW系统转换效率22%,光谱1.78倍展宽的净化脉冲输出,双透镜组合聚焦形式使得双BaF_2晶体间距在13—22 cm内可保证20%以上的XPW转换效率,双晶体间距的调节冗余度提高了两个量级,极大地降低了双晶转换效率对晶体间距的依赖.这种正负透镜组合聚焦的光路设计在非真空中实现了高效稳定的XPW输出,为后续的放大应用提供了高对比度、宽光谱的高质量种子源.     

基于一维金属光子晶体平凹镜的柱矢量光束亚波长聚焦

柱矢量光束具有柱对称性的偏振分布,其独特的光场分布和聚焦特性被广泛应用于光学微操纵及光学成像等领域,并迅速向亚波长尺度拓展.通常,亚波长尺度聚焦采用等离激元透镜实现,但存在光场调控的偏振态局限性.而借助光子晶体的负折射效应,不仅能够实现亚波长聚焦或成像,而且应对正交偏振态同时有效.采用对电磁波具有更强调控能力的一维金属光子晶体结构,计算得到的能带结构和等频曲线表明其负折射效应在特定波段对正交偏振态同时有效.在此基础上设计出一维金属光子晶体柱对称平凹镜结构,通过有限元算法模拟显示了可见光波段的径向和旋向偏振光的同时亚波长聚焦行为.进一步的结果表明,改变柱矢量光束的偏振组分能够直接有效地调节焦场空间分布及偏振分布特性.所提出的平凹镜结构能够实现对任意偏振组分的柱矢量光束的亚波长尺度聚焦,且该结构的设计对于各波段情况均有参考意义.该研究结果对小尺度粒子的光学微操纵、超分辨率成像等相关领域具有潜在的应用价值.     

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.     

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。     

消色差谐衍射微透镜列阵的应用研究

本文研究菲涅耳谐衍射透镜的特性和工作条件,分析二元谐衍射透镜的衍射效率及制作要求,设计并研制了用于萨克-哈特曼波前传感器的双波长共焦谐衍射微透镜列阵,得到了良好的应用效果.     

平面超透镜的远场超衍射极限聚焦和成像研究进展

突破瑞利衍射极限,实现纯光学的远场超衍射极限聚焦和成像在科学和工程的各个领域都有重要意义.现有光学超分辨技术都存在一些固有的限制因素,如工作距离短、适用领域窄、不利于集成等问题.平面超透镜由于理论上的创新、设计灵活、效率高、方便集成等优势,成为实现超衍射极限的有效途径.本文综述了平面超透镜的物理原理及其在超衍射极限聚焦和成像方面近年来的研究进展,并讨论了该领域面临的问题和未来的研究重点和方向.     

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。     

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%。