聚焦强度可调的高数值孔径的双焦点超透镜

MEMS 2022-07-14 00:00

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透镜是在光学领域中应用十分广泛的核心光学元件，基于超表面的超透镜是一种由致密平面内的非均匀光学天线阵列组成的透镜，由于其对传输和反射电磁波的相位具有前所未有的控制能力，超透镜已成为发展小型化光学透镜的通用手段。

据麦姆斯咨询报道，近日，来自石家庄铁道大学的研究人员设计出一种聚焦强度可调的高数值孔径（NA）的双焦点超透镜，聚焦效率可达65%，具备优异的广角特性及宽带特性。该项研究为多焦点超透镜的设计提供了重要思路，也将在多成像系统、光学层析成像技术等领域发挥重要的应用价值。相关研究成果以“聚焦强度可调的高数值孔径的双焦点超透镜”为题发表于《红外与激光工程》期刊。

为了实现更高聚焦效率的超透镜，研究人员采取了新的策略，设计了对于左旋圆偏振（LCP）和右旋圆偏振（RCP）入射光都具有高透射效率和良好会聚功能的超透镜。该超透镜以硅微砖和聚4-甲基戊烯-1（TPX）基底作为基本结构单元，每个单元结构对于LCP和RCP光都具有会聚作用。巧妙之处在于可以同时调控每个单元结构的几何相位和传输相位，进而灵活地调制超透镜两个焦点之间的相对强度，而不同于以往的双焦点超透镜需要对光强进行重新组合。

（a）双焦点超透镜聚焦示意图；（b）~（c）具有高度H、长度L、宽度W的硅微砖的侧视图和俯视图，其中单位晶胞尺寸为P；（d）具有旋转角度为θ的硅微砖的俯视图；（e）构建的双焦点超透镜的俯视图

该超透镜能有效地将圆偏振入射光聚焦到半高宽为0.44 λ的光斑上，对应的数值孔径高达0.95。由透镜的衍射极限公式d=0.5 λ/NA，可求得该超透镜的理论分辨极限为158 μm，可以看出，LCP和RCP光入射下的半高宽均小于该值，因此所设计的超透镜打破了衍射极限。更为重要的是，在RCP和LCP入射光下，超透镜的聚焦效率均为65%，远远高于等离子体超透镜的聚焦效率，也远远高于基于多路复用的介电质超透镜的聚焦效率。

双焦点超透镜在RCP（a）、LCP（b）和XLP（c）光入射下的聚焦场的强度分布；（d）RCP（蓝线）和LCP（红线）光分别入射产生通过焦点的沿着x轴的强度分布曲线

当LCP或RCP光入射时，超透镜只有一个焦点；当椭圆偏振光或者线偏振光入射时，超透镜有两个焦点。通过改变入射光束的偏振态，可以灵活地调节两焦点之间的相对强度。在实际应用中，通过旋转放置超透镜前的四分之一波片可以调制左右位置两个焦点的相对强度，这种强度可调的超透镜可以方便且高效地应用在光学层析成像技术、光学数据存储等领域。

当入射光分别为（a）、（b）、（c）和（d）时聚焦场的强度分布

研究人员通过仿真验证了该透镜的广角特性以及宽带特性。结果证明，当入射角度为10°和20°时，RCP光和LCP光的透射电场分布都为向右凸的抛物面，此时超透镜仍然维持了很好的聚焦能力；此外，在0.8~1.2 THz的较宽频率范围内，该双焦点超透镜仍然有很好的聚焦效果。这意味着所设计的双焦点超透镜可以实现一定范围内的广角聚焦和较宽的频率超范围，为集成光子器件的设计和制造提供了新的途径。