本發(fā)明屬于微納光子學(xué)，具體涉及一種基于橫向色散的全空間多焦點超透鏡及其設(shè)計方法。
背景技術(shù)：
1、超表面是一種特殊的二維超材料，它可以在亞波長尺度下對電磁波的相位、偏振和振幅等特性進行靈活有效地調(diào)控，能夠創(chuàng)造出自然界不存在的獨特電磁響應(yīng)，故被廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域。因此可以利用結(jié)構(gòu)表面的突變相位來實現(xiàn)對反射或透射波的波前操控，調(diào)控電磁波的相位、振幅和極化狀態(tài)，從而實現(xiàn)聚焦、光束偏轉(zhuǎn)和生成特殊光束等目的。
2、超透鏡是一種由亞波長尺寸的結(jié)構(gòu)特定分布在平面上，從而實現(xiàn)聚焦、成像等功能的平面透鏡。其主要工作原理是基于材料表面的微納結(jié)構(gòu)對電磁波的調(diào)控，通過控制表面的突變相位分布來實現(xiàn)對電磁波波束的控制，從而改變其波前。相較于傳統(tǒng)的透鏡而言，超表面透鏡有重量輕、體積小、易于做到高度調(diào)制與集成等優(yōu)點。
3、基于橫向色散原理的多焦點全表面超透鏡是一種新型的超表面器件，它通過將不同波長和偏振態(tài)的光聚焦到空間中的不同位置，實現(xiàn)了光譜和偏振信息的同步識別與重建。相較于傳統(tǒng)的微透鏡陣列相比，這種多焦點超透鏡具有更大的數(shù)值孔徑(na)，能夠提供更優(yōu)異的成像性能和分辨率。此外，多焦點超透鏡的設(shè)計還可以融合幾何相位調(diào)制技術(shù)和全息原理，實現(xiàn)對光譜和偏振態(tài)的調(diào)控，進一步推動了緊湊型光學(xué)系統(tǒng)的進步與創(chuàng)新。
4、然而，現(xiàn)有超表面通常在純反射模式下工作或純透射模式下工作，留下一半的電磁空間未被利用。
技術(shù)實現(xiàn)思路
1、為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種基于橫向色散的全空間多焦點超透鏡及其設(shè)計方法，不僅可以同時在反射和透射空間工作，而且還可以獨立地操縱反射和透射的電磁波。本發(fā)明通過旋轉(zhuǎn)雙層納米結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)向角，當(dāng)不同波長和偏振態(tài)的圓偏振光入射到超透鏡上能夠?qū)崿F(xiàn)獨立操縱反射波和透射波，并且將光束聚焦在透、反射空間中的不同位置，實現(xiàn)了波長和偏振信息的同步識別與重建。
2、本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：
3、本發(fā)明的第一個發(fā)明涉及一種基于橫向色散的全空間多焦點超透鏡，其特征在于，當(dāng)不同波長和偏振態(tài)的圓偏振光入射到超透鏡上，在反射空間和透射空間中，該透鏡能夠分別形成六個空間位置各異的焦點，最終能在全空間內(nèi)總共形成十二個空間位置不同的焦點；由此基于這些焦點在空間中的分布，就能夠?qū)崿F(xiàn)對入射光波長和偏振狀態(tài)的測量和分析；其結(jié)構(gòu)包括透明基底、一維光子晶體疊層和雙層納米磚單元結(jié)構(gòu)，雙層納米磚單元結(jié)構(gòu)包括第一納米磚和第二納米磚；透明基底上方依次設(shè)置一維光子晶體疊層、第一納米磚，第二納米磚沉淀在透明基底下方，以透明基底的互相垂直的兩邊分別為x軸和y軸，由此建立xoy坐標系；
4、所述一維光子晶體疊層由多個硅層和二氧化硅層交替疊加而成，其中單個硅層和二氧化硅層的厚度分別為dl和dh，單元結(jié)構(gòu)基底周期為p；
5、定義第一納米磚和第二納米磚長邊為長軸，分別為l1、l2，短邊為短軸，分別為w1、w2，高度均為h；上述結(jié)構(gòu)參數(shù)均為亞波長級；第一或第二納米磚的長軸與x軸夾角為納米磚的轉(zhuǎn)向角為θ，θ取值范圍為[0，π]；
6、第一納米磚和第二納米磚均具有半波片的特性。
7、進一步的，所述第一納米磚和第二納米磚的材料為硅。
8、進一步的，所述結(jié)構(gòu)參數(shù)l1、l2、w1、w2通過電磁仿真優(yōu)化滿足半波片特性，再對超透鏡進行整體仿真獲取光學(xué)響應(yīng)特性。
9、進一步的，所述第一納米磚和第二納米磚被光穿過后會有一個相位調(diào)制，具體表現(xiàn)為：
10、當(dāng)考慮反射空間時，波長為λ的光束由下向上入射到超透鏡上時，將穿過底層超表面后會被反射回來，再次被底層超表面調(diào)制；當(dāng)考慮透射空間時，光束入射到超透鏡上時，將依次穿過超表面；將超透鏡在反射模式下的相位分布記為在透射模式下的相位分布記為第二納米磚旋轉(zhuǎn)角度為θ1，第一納米磚旋轉(zhuǎn)角度為θ2，其相位調(diào)制滿足如下關(guān)系：
11、
12、其中，x和y為每個納米磚的二維坐標，f為超透鏡焦距。
13、本發(fā)明的第二個發(fā)明涉及一種基于橫向色散的全空間多焦點超透鏡的設(shè)計方法，其特征在于，包括如下步驟：
14、步驟1，計算硅層和二氧化硅層的厚度dl和dh
15、根據(jù)光子晶體理論計算出一維光子晶體疊層的硅層和二氧化硅層的厚度dl和dh；
16、步驟2，構(gòu)建納米單元結(jié)構(gòu)
17、通過對雙層納米磚單元結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化仿真使其優(yōu)化成半波片，得到優(yōu)化后的雙層納米磚單元結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)，分別為第一納米磚和第二納米磚的長l1、l2，寬w1、w2，高度h，單元結(jié)構(gòu)基底周期p；
18、步驟3，確定工作波長
19、通過電磁仿真軟件對整體結(jié)構(gòu)包括進行掃描，確定在透射空間內(nèi)的工作波長λ1、λ2、λ3；反射空間內(nèi)工作波長為λ4、λ5、λ6。
20、步驟4，測量和分析全空間下的入射光波長和偏振狀態(tài)
21、將圓偏振光以不同波長入射至第二納米磚，在反射空間和透射空間中能夠分別形成六個空間位置各異的焦點，其中三個焦點由lcp入射光形成，另外三個焦點由rcp入射光形成，最終能夠在反射和透射空間中總共形成十二個空間位置不同的焦點，即在變轉(zhuǎn)角的雙層納米磚單元結(jié)構(gòu)組成的陣列上，實現(xiàn)全空間下對入射光波長和偏振狀態(tài)的測量。
22、進一步的，在步驟4中，不同波長分別對應(yīng)六個空間位置各異的焦點，其中焦點的位置可以通過極坐標表示為：
23、
24、其中，λn表示第n個工作波長，r為超透鏡的半徑，為焦點的極角。
25、進一步的，第n個焦點在直角坐標系中的坐標(xcenter,n,ycenter,n)可以表示為:
26、
27、超透鏡在不同工作波長處的相位分布可以表示為
28、
29、其中，λ為入射光波長，x和y為每個納米磚的二維坐標，f為超透鏡焦距。
30、進一步的，在步驟4中，將具有不同波長且在不同位置具有相應(yīng)焦點的多個聚焦相位編碼在一個超透鏡上，則編碼后超透鏡的相位可以表示為：
31、
32、其中，an、分別為第n個焦點和第n個工作波長處的振幅和相位。
33、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在：
34、1)本發(fā)明變轉(zhuǎn)角的雙層納米結(jié)構(gòu)陣列組成的超透鏡可在透、反射空間內(nèi)不同位置的實現(xiàn)聚焦，因此它比傳統(tǒng)的只局限于半空間(反射或透射空間)的超透鏡具有更高的空間利用率；
35、2)本發(fā)明所生產(chǎn)的超透鏡可工作于多波長且聚焦時產(chǎn)生的串?dāng)_低，同時設(shè)計方法巧妙，所用結(jié)構(gòu)簡單，因此本發(fā)明所設(shè)計的超透鏡易于集成到可穿戴近眼顯示器、自動駕駛車輛和衛(wèi)星成像等成像或顯示設(shè)備中，在確保成像質(zhì)量的同時減小體積和重量，適應(yīng)于未來小型化、微型化的發(fā)展；
36、3)本發(fā)明所生產(chǎn)的超透鏡為全介質(zhì)結(jié)構(gòu)，相比于用金屬實現(xiàn)反射型的超透鏡結(jié)構(gòu)來說更加經(jīng)濟。
1.一種基于橫向色散的全空間多焦點超透鏡，其特征在于，包括透明基底、一維光子晶體疊層和雙層納米磚單元結(jié)構(gòu)，雙層納米磚單元結(jié)構(gòu)包括第一納米磚和第二納米磚；透明基底上方依次設(shè)置一維光子晶體疊層、第一納米磚，第二納米磚沉淀在透明基底下方，以透明基底的互相垂直的兩邊分別為x軸和y軸，由此建立xoy坐標系；
2.如權(quán)利要求1所述的一種基于橫向色散的全空間多焦點超透鏡，其特征在于，所述第一納米磚和第二納米磚的材料為硅。
3.如權(quán)利要求1所述的一種基于橫向色散的全空間多焦點超透鏡，其特征在于，所述結(jié)構(gòu)參數(shù)l1、l2、w1、w2通過電磁仿真優(yōu)化滿足半波片特性，再對超透鏡進行整體仿真獲取光學(xué)響應(yīng)特性。
4.如權(quán)利要求1所述的一種基于橫向色散的全空間多焦點超透鏡，其特征在于，所述第一納米磚和第二納米磚被光穿過后會有一個相位調(diào)制，具體表現(xiàn)為：
5.一種基于橫向色散的全空間多焦點超透鏡的設(shè)計方法，其特征在于，包括如下步驟：
6.如權(quán)利要求4所述的一種基于橫向色散的全空間多焦點超透鏡的設(shè)計方法，其特征在于，在步驟4中，不同波長分別對應(yīng)六個空間位置各異的焦點，其中焦點的位置可以通過極坐標表示為：
7.如權(quán)利要求5所述的一種基于橫向色散的全空間多焦點超透鏡的設(shè)計方法，其特征在于，第n個焦點在直角坐標系中的坐標(xcenter,n,ycenter,n)可以表示為:
8.如權(quán)利要求4所述的一種基于橫向色散的全空間多焦點超透鏡的設(shè)計方法，其特征在于，在步驟4中，將具有不同波長且在不同位置具有相應(yīng)焦點的多個聚焦相位編碼在一個超透鏡上，則編碼后超透鏡的相位可以表示為：