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。     

基于FDTD的超透镜聚焦光场仿真

透镜是最基本的光学元件之一,也是基础光学和信息光学等课程的授课重点内容,但由于课时限制等原因,现有的光学课程对透镜内容的介绍仅局限于几何透镜。随着微纳光学的发展,由亚波长结构单元组成的超透镜由于其独特的特性已经被广泛的研究和应用。因此,在光学课程中引入超透镜发展的前沿知识,有助于激发学生对前沿微纳光学的学习兴趣,探索微纳光学领域的奥妙,为推动教研融合做出积极贡献。本文以对偏振不敏感的超透镜光学设计为例,基于FDTD模拟仿真展示平面波通过超透镜后的传播过程和聚焦光场分布。首先,对不同直径的圆柱型亚波长光栅进行全波仿真获得相位信息,根据相位值选取纳米柱单元作为超透镜的元胞结构单元,按照理想聚焦相位分布排布纳米柱从而获得超透镜整体结构,进一步借助FDTD仿真出平面波通过超透镜后的传播光场分布,最后对焦平面聚焦光场分布进行分析和总结。     

基于电磁超表面的透镜成像技术研究进展

电磁超表面属于超材料的一种,是由许多亚波长纳米结构单元组成的二维功能性平面结构.根据惠更斯原理,超表面阵列可以任意调控光波的相位、振幅和偏振.与传统器件相比,基于这种超材料设计的光学功能器件最大的优势是其具有极薄的厚度.本文首先介绍了广义斯涅耳定律以及纳米单元结构调控相位的基本原理,重点归纳了电磁超表面在透镜成像技术方面的研究进展,包括等离子体超表面、全介质超表面以及金属/介质混合式超表面在成像方面的应用,最后指出了超表面在成像方面尚未解决的前沿问题以及与实际应用接轨的重要问题,希望能为以后的深入研究提供一定的参考和借鉴.     

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...     

非线性光学超构表面：基础与应用

光学超构表面是一种由亚波长尺度的超构单元在面内排布而构成的准二维人工结构材料。研究人员可以通过选择超构单元的材料组成、几何形状对光的振幅、偏振、相位和频率等光场自由度进行灵活调控。聚焦于超构表面在非线性光场调控领域的原理与应用。首先,概述了非线性晶体到非线性超构表面的发展历程。然后,讨论了对称性和几何相位在非线性光学超构表面中的重要作用。最后,介绍了非线性光学超构表面在波前调控、量子信息处理和太赫兹波的产生与调控等领域中的应用。     

基于超透镜阵列的平面人工复眼研究

为了实现轻量化、集成化与大视场的光学成像系统,提出了一种基于超透镜阵列的平面化人工复眼结构.该结构使用基于几何相位原理的不同取向二氧化钛纳米柱结构来实现电磁波调控,使得超透镜阵列面与复眼的像面均为平面,不需要传统曲面复眼所需要的非球面加工.在传统超透镜聚焦相位的基础上叠加倾斜相位,能够较好地抵消光学系统非近轴区域光线离...     

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.     

太赫兹多波束调控反射编码超表面

已报道的大多数编码超表面仅利用相位或幅度编码进行电磁波调控,限制了太赫兹波调控灵活性.本文提出了一种反射超表面单元,通过相位编码构造超表面,在圆极化波入射下获得反射波束分裂和偏转功能,实现对圆极化波束的灵活调控;同一超表面单元结构利用幅度编码构造超表面在线极化太赫兹波入射下,实现空间成像功能.通过相位编码和幅度编码结合构造超表面,提高了对太赫兹波操控的灵活性,该编码超表面构造思路可以为太赫兹器件设计提供一种全新思路.     

超构透镜的色差调控应用

超构表面是由精心设计和排布的亚波长纳米单元组成的平面元件,其可以在微观尺度下调制电磁场,从而实现波前的任意调控.目前,它已被用来灵活地操纵相位、偏振、振幅等各种光学参数.超构透镜是超构表面中相当重要且非常活跃的一个研究方向,由于其厚度在波长量级,与传统光学透镜相比,能够显著增加光学器件的集成度并且降低结构复杂度.但是,...     

矩形纳米狭缝超表面结构的近场增强聚焦调控

为了实现对入射光的近场亚波长增强聚焦,设计了一种由内部矩形纳米狭缝圆环阵列和外部多圆环狭缝构成的超表面结构,得到了该结构激发的表面等离激元电场表达式,并从物理机理上解释了该结构中心聚焦及增强聚焦的原理.利用时域有限差分方法仿真研究了该超表面结构在不同偏振态入射光下的激发场聚焦特性.根据理论推导与仿真结果可得,该结构在波长为980 nm的圆偏振光入射下于近场的金属表面结构中心处生成半高宽为650 nm左右的亚波长聚焦光斑,其场分布为近似的第一类贝塞尔函数.与单一的矩形纳米狭缝圆环阵列结构相比,带有外部多圆环狭缝的复合结构具有更好的增强聚焦效果,使得中心焦斑强度提升了一倍,且更有利于对激发场进行调控.除此之外,还讨论了任意偏振方向的线偏振光入射结构激发的电场,得到了电场的解析表达式,即入射光偏振角的正弦函数包络乘上第一类贝塞尔函数.本文的研究对基于超表面结构的亚波长光调控有一定的指导意义,在光镊、亚波长尺度光信息传输与处理等领域也有一定的应用价值.     

GaP-Based High-Efficiency Elliptical Cylinder Metasurface in Visible Light

Compared with the metal antenna metasurface,the dielectric metasurface has better optical characteristics and smaller ohmic loss in the optical band,which makes it superlor.An elliptical cylindrical nanostructured antenna is designed using GaP with excellent transmission characteristics in the visible band.This structure has a transmjssion efficiency of up to 0.96 in the visible light band.Based on the Pancharatnam-Berry(PB) phase control principle,the metasurface structure composed of the anten...     

Design of broadband achromatic metasurface device based on phase-change material Ge2Sb2Te5

Based on the phase-change material Ge₂Sb₂Te₅ (GST), achromatic metasurface optical device in the longer-infrared wavelength is designed. With the combination of the linear phase gradient GST nanopillar and the adjustment of the crystalline fraction m value of GST, the polarization insensitive achromic metalenses and beam deflector metasurface within the longer-infrared wavelength 9.5 μm to 13 μm are realized. The design results show that the achromatic metalenses can be focused on the same focal plane within the working waveband. The simulation calculation results show that the full-width at half-maximum (FWHM) of the focusing spot reaches the diffraction limit at each wavelength. In addition, the same method is also used to design a broadband achromatic beam deflector metasurface with the same deflection angle of 19°. The method proposed in this article not only provides new ideas for the design of achromatic metasurfaces, but also provides new possibilities for the integration of optical imaging, optical coding and other related optical systems.     

Metalens in Improving Imaging Quality: Advancements,Challenges, and Prospects for Future Display

Metalens, a metasurface with a focusing phase, has been the focus of research due to its immense potential for use in imaging and display technology. Traditional lens and optical imaging systems rely on phase accumulation, however metalens with subwavelength structures provide a disruptive path for miniaturized optical imaging systems by allowing unfettered modulation of incident light's phase and amplitude. Recently, extensive efforts have been devoted to exploring new design strategies, new functionalities, and possible applications. This paper reviews the development, principle, classification, and research status of metalens. In particular, this review focuses on the progress and challenges of improving imaging quality and expanding imaging diversity, including improvements of resolution, enhancement of depth of field, extension of field of view, and achromatism. Lastly, the prospects of metalens in the future display are summarized, and the application potentials of metalens in novel 3D display, intelligent and bionic display, as well as nano-pixelate light-emitting display (NLED) are emphasized.     

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.     

可调谐超构透镜的发展现状

随着新兴光学设备对微型化、一体化、智能化光学变焦系统的需求与日俱增,大大促进了纳米光电子学的迅猛发展。超构透镜是由具有特殊电磁属性的人造元素按照一定的排列方式组成的具有透镜功能的二维平面结构,其最大优点就是:轻薄和易于集成。然而,集成在超构透镜上的微纳结构一旦制备完成,便难以再改变其形貌或者尺寸,因而无法对其聚焦性能进行实时调控,限制了其功能及应用范围的进一步扩展。近年来,科学家们探索了实现超构透镜聚焦性能实时调控的多种途径,其中最引人注目的是将智能材料与超构透镜相结合。本文首先回顾了可调谐超构透镜的最新进展,分别详细阐述和分析了它们的调节原理和器件性能。最后,归纳分析了当前阻碍可调谐超构透镜发展的主要问题,并进一步对未来可调谐超构透镜的发展趋势做出了展望。     

Manipulation of acoustic wavefront by transmissive metasurface based on pentamode metamaterials

An underwater acoustic metasurface with sub-wavelength thickness is designed for acoustic wavefront manipulation.In this paper, a pentamode lattice and a frequency-independent generalized acoustic Snell's law are introduced to overcome the limitations of narrow bandwidth and low transmittance. The bulk modulus and effective density of each unit cell can be tuned simultaneously, which are modulated to guarantee the achievement of refractive index profile and high transmission. Here, we actualize anomalous refraction, generation of non-diffracting Bessel beam, sub-wavelength flat focusing,and surface wave conversion by constructing inhomogeneous acoustic metasurface. This design approach has potential applications in medical ultrasound imaging and underwater acoustic communications.     

复合法布里-珀罗共振声学结构实现亚波长超声聚焦的研究

提出一种多通道的声学结构,实现超声平面波的亚波长聚焦。该声学结构由整数倍长度的亚波长孔径组成,所有的通道同时产生法布里一珀罗共振,含有亚波长信息的倏逝波与结构中的透射共振模式耦合放大,实现亚波长聚焦;进一步在结构表面添加凹槽,延拓结构表面的周期性,可提高特定频率处的透射增益和亚波长聚焦分辨率。研究结果表明该结构能够在宽频带实现亚波长聚焦,增加传输增益。该结构在医学超声成像以及治疗具有潜在的应用价值。      

太赫兹频率编码器

超表面是由亚波长单元组成控制电磁波的人工结构,研究发现通过对其进行编码排列可实现对电磁波能量的任意控制.本文利用四种形状相同、尺寸不同的人字形结构单元,结合其不同相位响应和不同的相位灵敏度设计了太赫兹频率编码器,通过进行特定编码,在频率改变的情况下,实现了对电磁波能量辐射调控.分别设计了1-bit, 2-bit周期和非周期太赫兹频率编码器,通过数值计算和仿真模拟验证了上述特性,而且该结构对太赫兹波辐射主瓣能量有很好的分散作用,可以有效减少雷达散射截面,雷达散射截面缩减在q=0,j=0方向上最大可达29 dB,在太赫兹波隐身中具有巨大应用价值.     

微球透镜对亚波长表面结构的显微成像研究

为了研究微球透镜对亚波长物体的成像特性,利用直径为3.4μm的二氧化硅微球透镜对刻录蓝光光碟的亚波长表面结构进行了显微成像实验,观察了不同排列方式和液体浸没深度下微球透镜的成像特性。实验结果表明:微球透镜在不同浸没深度下对亚波长表面结构具有放大作用,放大率为1.2~1.8倍,并且通过微球透镜的密排列,可以获得更大的视场;浸没液体深度增大时,图像的放大率减小,视场增大。基于时域有限差分的电场仿真表明,微球透镜可以将光场汇聚成半高全宽为260nm,纵向可持续几个微米的高强度光区域,引起强的背景散射,从而获得普通光学显微镜不能分辨的亚波长表面结构图像。     

空间高层大气遥感远紫外成像光谱仪的光学系统

空间高层大气遥感远紫外成像光谱仪主要用于观测高层大气中的远紫外辐射和实现对其内部中尺度现象成像的功能。目前我国该类的相关仪器研究基础还比较薄弱,针对这种情况,在光学系统设计的角度上给出了一种适用于130～180nm波段探测的光学系统方案。该成像光谱仪光学系统以离轴抛物镜为物镜,串联Wadsworth结构为成像光谱系统;这种串联Wadsworth成像光谱系统采用离轴抛物镜做准直镜,分光器件为平面光栅和球面光栅串联,实现二次色散,同时球面光栅起到聚焦成像作用;在像差理论的基础上,对该结构的光程函数和各像差进行了分析,获得了改进结构的宽波段完善成像条件。针对低轨空间探测应用要求设计了相关改进型Wadsworth结构成像光谱仪光学系统,设计结果证明系统像差得到了充分校正,在奈奎斯特频率(20lp/mm)下全视场全波段调制传递函数值在0.6以上。该优化结构同时具备高空间分辨率和高光谱分辨率,性能优越。