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...     

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.     

反射式液晶空间光调制器用于光束会聚控制

根据偏心透镜组的结构原理,利用液晶空间光调制器(LC-SLM)对其结构进行了优化。对LC-SLM等效透镜功能的原理进行了分析,模拟仿真了利用LC-SLM对光束进行调制的结果。实验验证了LC-SLM通过加载菲涅尔透镜相位图,实现了对光束会聚功能,并且通过耦合位移相位因子可以实现会聚光斑平移的功能,能够代替在偏心透镜组中实现同一功能的透镜。配合后续的透镜组,理论上可以控制光束实现大角度的扫描。     

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.     

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.     

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。     

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。     

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.     

单元超透镜模式分析及其亚波长成像特性研究

提出了一种可工作于可见光波段的波长可调的超透镜。该超透镜由一层等离子体金属薄膜和两侧等厚介质薄膜的平面波导构成。通过分析介质薄膜对波导表面等离子体模式的调制作用,给出了超透镜的成像规律。结果表明,通过调节透镜介质薄膜的厚度可实现从365~515nm、分辨率为λ/6、高能量透射率的亚波长成像。该三层膜超透镜结构简单,可有效地减小制备误差及表面粗糙度对成像的不利影响,降低了制造难度。此结构以其简单的结构、出色的成像性能在亚波长光刻、生物显微镜、高密度数据存储等方面具有潜在的应用价值。     

基于十字形结构的相位梯度超表面设计与雷达散射截面缩减验证

基于十字形结构设计了一种在雷达波低频段极化不敏感的相位梯度超表面, 并通过仿真和实验进行了验证. 不同金属十字周期结构单元复合, 在超表面上形成附加的平行波矢分量, 对反射波波前进行调控, 获得超表面后向雷达散射截面积(RCS)缩减. 在设计波段内, 超表面在法线方向的单站RCS缩减达18.19 dB, 偏离法线-30°–+30°范围的单站RCS 平均缩减达8 dB; 仿真与实验结果符合较好.     

移动式量子级联激光器太赫兹全息成像仪光路结构设计

为了满足移动式量子级联激光器太赫兹(QCL-THz)全息成像仪大视场高空间分辨率的技术需求,设计了预放大同轴数字全息光路结构,显微物镜数值孔径为0.707或0.8,放大倍数为6倍,最佳工作距离为15mm。采用波长为96.8μm的QCL光源,该光路结构能实现10mm的视场,优于100μm的空间分辨率。     

移动式量子级联激光器太赫兹全息成像仪光路结构设计

为了满足移动式量子级联激光器太赫兹（QCL-THz）全息成像仪大视场高空间分辨率的技术需求,设计了预放大同轴数字全息光路结构,显微物镜数值孔径为0.707或0.8,放大倍数为6倍,最佳工作距离为15 mm。采用波长为96.8 m的QCL光源,该光路结构能实现10 mm的视场,优于100 m的空间分辨率。     

等离子体诊断用18.2 nm Schwarzschild显微镜

研制了用于超快激光等离子体诊断的Schwarzschild型正入射显微镜,该显微镜工作波长为18.2 nm,数值孔径为0.1,放大倍数为10。根据诊断要求设计了Schwarzschild物镜的光学结构,计算了物镜的光学传递函数,结果显示,设计的物镜在±1 mm视场范围内像方空间分辨力可达125 lp/mm。根据系统工作波长和光线在镜面的入射角度设计了Mo/Si周期多层膜反射镜,制作了Schwarzschild显微镜光学元件,镀制的膜系周期厚度为9.509 nm,周期数为30,对18.2 nm波长的反射率约31.1%。利用激光等离子体光源对24 lp/mm网格进行了成像实验,实验结果表明:系统在中心视场的分辨力为3 μm,600 μm内视场的分辨力为5 μm。     

超表面上表面等离激元波的光栅衍射行为研究

本文利用严格数值仿真研究了550~700 nm波段的可见光通过金属光栅耦合方式激发的表面等离激元(SPP)波在金属表面的光栅衍射行为与现象。研究结果表明:SPP波在金属表面的衍射行为与自由空间光相比有极大不同,由于SPP波的近场属性,经金属光栅衍射后在近场可表现出明显的光栅分光现象,但经过一段传输距离后则分光现象消失而表现为不同级次的光合为同一束光;在近场衍射情况下,其情况与自由空间光衍射行为类似,对SPP亚波长金属光栅来说同样只有零级透射光;而当金属光栅周期大于SPP波长时,高级衍射级次则开始出现。研究结果对下一步在金属表面上实现微米级片光谱仪器具有重要借鉴意义。     

Dynamically adjusting plasmon-induced transparency and slow light based on graphene meta-surface by bright–dark mode coupling

A graphene-based meta-surface structure consisting of middle strip and side rings is proposed, which can achieve plasmon-induced transparency (PIT) effects by bright–dark mode coupling. By properly adjusting geometry parameters of the meta-surface and gradually varying Fermi energy level of graphene, the PIT window can be actively tuned in a wide range of transmission spectra, allowing for dynamically tunable group delay of the incident light. In this letter, by changing geometry parameters, we find that the value of group delay of light becomes greater when the coupling strength becomes weaker. In other words, the less the transmittance of the PIT window is, the slower the speed of light is.     

光电耦合器的反应堆中子辐射效应

选择3种典型光电耦合器开展了反应堆中子辐照实验,中子注量为3×1011~5×1012cm-2时,位移效应导致电流传输比下降,饱和压降提高。发光器件相同,探测器为Si PIN光电二极管的光电耦合器比探测器为Si NPN光敏晶体管的光电耦合器的初始电流传输比要小,但其抗位移损伤能力更强。探测器均为Si NPN光敏晶体管,发光器件为异质结LED要比硅两性掺杂LED的光电耦合器的电流传输比抗位移损伤能力提高2个量级;以光敏晶体管为探测器的光电耦合器,在较大的正向电流和输出负载电阻条件下工作可提高抗辐射水平。此外,光电耦合器的位移损伤存在加电退火效应。     

Design of an all-dielectric long-wave infrared wide-angle metalens

Optical metasurfaces are two-dimensional arrays of nano-scatterers that modify optical wavefronts at subwavelength spatial resolution. They achieve the effect of focusing through phase control under a subwavelength scale, and are called metalenses. They are poised to revolutionize optics by enabling complex low-cost systems. However, there are severe monochromatic aberrations in the metasurfaces. In this paper, the coma of the long-wave infrared optical system is eliminated through a single-layer metasurface. By changing the phase function, this metalens has a numerical aperture of 0.89, a focal length of 150 μm and a field of view of 120° (0.4@60 line pairs/mm) that enables diffraction-limited monochromatic imaging along the focal plane at a wavelength of 10.6 μm. The designed metasurface maintains a favorable value of the modulation transfer function at different angles. This equipment can be widely used in imaging and industrial processing.     

PDMS基柔性近眼显示波导光学系统设计

针对近眼显示系统视场小、体积笨重、柔性差、量产性差等问题,文章采用在系统中加入自由曲面和聚二甲基硅氧烷(PDMS)基的设计方法.论述了柔性近眼显示光学系统的设计要求和工作原理,进行初始结构建立;分析了系统杂散光产生的原因,进行杂散光抑制设计;采用XY多项式自由曲面替换传统非球面,进行系统像差校正;采用柱面波导模拟波导弯...     

水下气泡高速摄影光学系统设计

为了研究水下气泡的粒径、速度和浓度特性,提出基于高速电荷耦合器件(CCD)的气泡照明和三维摄影光学系统.采用532nm半导体激光器,基于伽利略结构用三个柱面镜设计了厚度1.5mm,宽度44mm的片光源。设计物像距530mm,放大率为0.4,1,2.5倍(×)的摄影光学系统,每组均由共用前组镜和会聚镜组成,中间以平行光中继。通过同步移动片光源和共用前组镜实现60mm×40mm视场内二维高速成像和纵向5mm扫描,具有结构简单、性能可靠的特点。对设计结果进行评价,0.4,1,2.5×成像光学系统在0.707ω,50lp/mm时调制传递函数值分别为0.58,0.55和0.38,能够分辨粒径范围为10～450μm的气泡。