超构表面（metasurfaces）是一种新型的人工二维平面阵列结构，通过合理设计亚波长纳米结构单元及排布可以实现对空间光场的调控，有望从原理层面上颠覆传统的透镜元件。然而，目前透射型超构表面普遍存在光学效率低的问题，制约着其应用和发展。
据麦姆斯咨询报道，针对透射型超构表面存在界面反射损失的问题，西安应用光学研究所光学薄膜技术研究室的科研团队提出了一种基于光学薄膜理论的高效透射型超构表面设计方案。先设计好超构表面，然后根据等效介质理论将超构表面等效为一层介质薄膜并作为多层膜系的最外层，最后设计与基底及入射介质匹配的增透膜系。希望增加的光学膜层能提高光能利用率，但不改变超构表面的其他光学性质。换句话说，超构表面在实现聚焦或其他功能的同时，还能像传统透镜表面一样兼容功能性光学薄膜，从而在性能上获得进一步的提高和拓展。相关研究内容以“基于光学薄膜的高效超构表面研究”为题发表在《光学学报》期刊上。
理论模型
透镜作为光学系统中最重要和最基本的元件，在光学系统中发挥着至关重要的作用。为了验证基于光学薄膜理论的高效超构表面设计方案的正确性，设计了具有增透膜系的透射型超构表面透镜，并对其光学性质进行了具体的仿真模拟。基底为石英材料，超构表面介质柱为Si材料，采用FDTD法模拟计算了基于这两种材料做成的超构表面透镜的光学性质。超构表面透镜单元结构如图1所示，分为三部分，最上面为超构表面层，中间部分为多层光学薄膜，最下面是石英基底。图2是在波长为1.53 μm的偏振光入射时，随着纳米块方位角改变对应的相位延迟，可以看出，纳米块方位角在0~π范围内变化，相位延迟覆盖0~2π范围。图3为采用等效介质理论计算得到的硅纳米块阵列超构表面等效折射率。在1400~1650 nm波段，消光系数为0，折射率色散非常小（可以忽略不计），折射率约为1.84。
图1 设计有光学薄膜的超构表面结构示意图
图2 1530 nm波长处硅纳米块不同方位角对应的相位变化
图3 超构表面等效折射率
结果与分析
图4为所设计的光学增透膜系与单层超构表面等效薄膜的透过率对比。从图4 可以明显看出，增透膜系的透过率远大于超构表面等效膜层的透过率，平均透过率高出12.4%。超构表面等效薄膜的透过率低主要是等效折射率和基底不匹配及等效薄膜的光学厚度与光波长不匹配产生反射的缘故。
图4 光学增透膜系与单层超构表面等效薄膜透过率对比
图5~7对比了超构表面透镜在没有附加光学薄膜和附加光学薄膜（光学薄膜结合超构表面的增透膜系结构）时在不同波长（1460、1530、1600 nm）下的光场分布图。从图5~7可以看出：相同波长的两种结构超构表面的聚焦焦斑大小及焦距基本相同。有光学薄膜的情况下，焦点处光强度明显大于无光学薄膜时的强度，但焦点位置不受增透膜影响，基本没有变化。这说明光学薄膜只增加超构表面的透过率，对于其聚焦性能基本不产生影响。此外，从图5~7还可以看出，随着波长增加，焦距减小，这是因为超构表面对波长大的光衍射能力更强的缘故。
图5-图7 波长1460 nm、1530 nm、1600 nm处的超构表面透镜的光场分布：（a）无附加光学薄膜；（b）附加光学薄膜
图8和图9为模拟计算得到的1450~1600 nm波段的透过率曲线及在1450、1490、1530、1565、1600 nm波长处的聚焦效率。从透过率曲线可以看出，在1450~1600 nm波段，设计有光学薄膜的超构表面透镜的透过率保持在94.0%左右，最高峰值达到95.5%，远高于无光学薄膜时的透过率（平均高10.5%以上）。在红外波段，目前已知的透射型超构表面透镜的透过率在70%~89%之间，低于所设计的超构表面透镜，说明所设计的超构表面结合光学薄膜结构是一种非常高效的提高透镜透过率的结构。聚焦效率通过焦斑的光能比总入射光能计算得到，从聚焦效率对比来看，有增透光学薄膜的超构表面透镜的聚焦效率远高于无增透膜时的聚焦效率，平均高8.3%以上。在1530 nm波长处，聚焦效率最高达88.5%。理论上合理优化超构表面聚焦效率最高可以达到峰值透过率95.5%，说明增透光学薄膜对提高超构表面效率作用巨大。
图8 1450~1600 nm波段有无光学薄膜的超构表面透镜的透过率
图9 不同波长处有无光学薄膜的超构表面透镜的聚焦效率
结论
总的来说，本研究首次提出了通过利用光学薄膜来提高超构表面效率的概念设想，研究了近红外波段超构表面透镜的特性，并基于超构表面附加功能性光学薄膜的性质研究了增透膜对超构表面透镜透过率和聚焦性能的影响。模拟计算结果表明：在1450~1600 nm波段，有光学增透膜的超构表面透镜的透过率远高于无光学增透膜时的透过率，平均高10.5%以上；从聚焦效率对比结果来看，有光学增透膜的超构表面透镜的聚焦效率比无增透膜时的聚焦效率平均高8.3%以上，聚焦效率最高达88.5%。所提出的超构表面结合光学薄膜的设想有望解决超构表面普遍效率低的问题。该技术可以应用于平面透镜、涡旋相位片、全息相位片、偏振转换器和波长选择器等领域，为超构表面器件设计带来新的思路。
DOI: 10.3788/AOS231534
