一种全介质、宽带偏振与相位调控超表面及远场超分辨聚焦器件制造技术

一种全介质、宽带偏振与相位调控超表面及远场超分辨聚焦器件，包括基底和全介质超表面。对于给定方向的线偏振光，通过设置不同快轴方向角的全介质半波片超表面单元，实现出射光偏振调控；对于给定位置处全介质半波片超表面单元，通过设置结构单元快轴方向角为π/2，实现二值相位(0π)调控。采用线偏振光作为入射光束从器件基底一侧垂直入射器件结构，在距离聚焦器件出射面焦距位置处，产生小于光学衍射极限(0.5λ/NA)的聚焦焦斑。该器件是一种全介质超表面聚焦器件，具有透过率高、多功能(偏振转换和光束聚焦)、质量轻和易于集成等优点，可应用于光学聚焦、光束整形和光学显微等领域。

An all dielectric, broadband polarization and phase controlled super surface and far-field super-resolution focusing device

【技术实现步骤摘要】
一种全介质、宽带偏振与相位调控超表面及远场超分辨聚焦器件
本专利技术属于微纳光学、光学聚焦以及衍射光学等领域，具体涉及一种全介质、宽带、偏振与相位调控超表面及远场超分辨聚焦器件。
技术介绍
传统光学系统存在理论极限0.5λ/NA(其中λ为波长，NA为光学系统数值孔径)。超衍射聚焦在粒子捕获、受激发射损耗显微技术(StimulatedEmissionDepletionMicroscopy，简记为STED)和光镊等光学应用领域中有着广泛的应用前景。超表面结构可对光的振幅、相位和偏振进行调控，可应用于光学聚焦、光束整形和全息等领域，基于光学超表面结构的透镜具有透过率高、多功能(偏振转换和光束聚焦)、质量轻和易于集成等优点。目前实现远场超分辨聚焦的技术手段，如产生超衍射空心光环，主要有采用传统物镜、锥透镜对角向偏振光进行聚焦，获得空心光环聚焦焦斑；采用双环角向偏振光作为入射光，结合传统物镜，形成空心光环；针对不同偏振态、拓扑荷的入射光，采用经过光瞳函数(振幅、相位)优化后的高数值孔径透镜聚焦，通过数值计算产生超衍射空心光环；采用偏振转换器(S玻片)实现线偏振光到角向偏振光的转换，并作为入射光，通过二值相位型平面超振荡透镜聚焦形成超衍射空心光环。然而，上述方法多数依赖于传统物镜(透镜)的聚焦功能。在实验过程中需要精细同轴对准入射光束、偏振转换器和聚焦透镜。相关文献有：·TianBoandPuJixiong.“Tightfocusingofadouble-ring-shaped,azimuthallypolarizedbeam”.Opt,Let.Vol.36,pp,2014-2016(2011).·LalithambigaiK,SureshP,RaviV,PrabakaranK,JaroszewiczZ,RajeshK.B.,AnbarasanP.M.andPillaiT.V.S.“Generationofsubwavelengthsuper-longdarkchannelusinghighNAlensaxicon”.Opt,Let.Vol.37,pp,999-1001(2012).·ChenGang,WuZhixiang,YuAnping,ZhihaiZhang,ZhongquanWen,KunZhang,LuruDai,SenlinJiang,YuyanLi,LiChen,ChangtaoWangandXiangangLuo.“Generationofasub-diffractionhollowringbyshapinganazimuthallypolarizedwave”.ScientificReports,Vol.6,pp,37776-37785(2016).·YuAnping,ChenGang,ZhangZhihai,WenZhongquan,DaiLuru,ZhangKun,JiangSenlin,WuZhixiang,YuyanLi,ChangtaoWangandXiangangLuo,“CreationofSub-diffractionLongitudinallyPolarizedSpotbyFocusingRadiallyPolarizedLightwithBinaryPhaseLens”,ScientificReports,6,pp38859:1-9,2016。其中，根据现有的高数值孔径物镜(锥透镜)聚焦角向偏振光的方法，所需聚焦功能元器件体积较大且不利于集成(如文献：TianBoandPuJixiong.“Tightfocusingofadouble-ring-shaped,azimuthallypolarizedbeam,”Opt,Lett.Vol.36,pp,2014-2016(2011).)。其中，根据现有的二值相位型平面超振荡透镜聚焦形成超衍射焦斑产生方法，需要依赖于偏振转换器将线偏振光转换成径向偏振光，再使用二值相位型平面超振荡透镜进行聚焦。在实验过程中需要精细同轴对准入射光束、偏振转换器和聚焦透镜。(如文献：YuAnping,ChenGang,ZhangZhihai,WenZhongquan,DaiLuru,ZhangKun,JiangSenlin,WuZhixiang,YuyanLi,ChangtaoWangandXiangangLuo,“CreationofSub-diffractionLongitudinallyPolarizedSpotbyFocusingRadiallyPolarizedLightwithBinaryPhaseLens”,ScientificReports,6,pp38859:1-9,(2016))。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术的不足，提供全介质、宽带、偏振与相位调控超表面及远场超分辨聚焦器件，该器件是基于全介质半波片超表面单元的远场超分辨聚焦器件，同时集成偏振转换功能和超分辨波前调控功能。本专利技术通过以下技术方案来加以实现：一种全介质、宽带偏振与相位调控超表面及远场超分辨聚焦器件，包括基底和以周期阵列分布于基底上的长方体介质结构。所述基底是厚度为tsub，折射率为nsub，在工作波长范围[λ1,λ2]内具有低吸收率(吸收系数小于0.01)，且上下表面平行的透明介质材料S。对于本聚焦器件，一个所述长方体介质结构与其下方的基底构成一个全介质半波片超表面单元，单元周期为T，每个长方体介质结构与其全介质半波片超表面单元的中心在XY平面内重合。所述长方体介质结构，其边长分别Lf和Ls，高度为H，其中f，s分别代表全介质半波片超表面单元的快轴和慢轴；该长方体介质结构的折射率为nd，在工作波长范围[λ1,λ2]内具有低吸收率(吸收系数小于0.01)。所述全介质半波片超表面单元对沿快轴f方向线偏振态和慢轴s方向线偏振态的相位延时分别为和且满足对于线偏振入射光，当其偏振方向与快轴的夹角为γ时，出射光的偏振方向与快轴的夹角为-γ，即出射光的偏振方向朝快轴偏转2γ。当入射线偏振光沿x轴方向，通过设置全介质半波片超表面单元中长方体介质结构的方向，即通过设置全介质半波片超表面单元快轴的方向角，可以实现对出射线偏振光的偏振方向的控制；当入射线偏振光沿x轴方向时，通过设置全介质半波片超表面单元的长方体介质结构快轴方向角为γ或γ+π/2(其中γ和γ+π/2均为快轴与x轴的夹角，0≤γ<π)，分别对出射光偏振方向实现2γ或2γ+π的偏转(其中2γ和2γ+π均为偏振方向与x轴的夹角)，其等效于出射光偏振方向均偏转2γ，而相位分别为0和π。由此，可以实现线偏振方向0到2π的调控及相位0和π的调控。所述全介质、宽带、偏振与相位调控超表面及远场超分辨聚焦器件，是由全介质半波片超表面单元构成的全介质超表面阵列。所述聚焦器件的有效使用半径Rlens＝N×T，其中N为沿半径方向的全介质半波片超表面单元最大个数，T为全介质半波片超表面单元的周期；所述长方体介质结构的周期阵列分布是指其沿径向的相位分布为其取本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种全介质、宽带、偏振与相位调控超表面及远场超分辨聚焦器件，其特征在于所述器件包括基底(1)和以周期阵列分布于基底上的长方体介质结构；/n所述基底(1)是厚度为t

【技术特征摘要】
1.一种全介质、宽带、偏振与相位调控超表面及远场超分辨聚焦器件，其特征在于所述器件包括基底(1)和以周期阵列分布于基底上的长方体介质结构；
所述基底(1)是厚度为tsub，折射率为nsub，在工作波长范围[λ1,λ2]内具有低吸收率，且上下表面平行的透明介质材料S；
一个所述长方体介质结构与其下方的基底构成一个全介质半波片超表面单元(2)，单元周期为T，每个长方体介质结构与其全介质半波片超表面单元的中心在XY平面内重合；所述长方体介质结构的边长分别Lf和Ls，高度为H，其中f，s分别代表全介质半波片超表面单元的快轴和慢轴；所述长方体介质结构的折射率为nd，其在工作波长范围[λ1,λ2]内具有低吸收率；所述全介质半波片超表面单元对沿快轴f方向线偏振态和慢轴s方向线偏振态的相位延时分别为和且满足对于线偏振入射光，当其偏振方向与快轴的夹角为γ时，出射光的偏振方向与快轴的夹角为-γ，即出射光的偏振方向朝快轴偏转2γ；当入射线偏振光沿x轴方向时，通过将全介质半波片超表面单元的长方体介质结构的方向设置为在XY平面内其快轴与x轴的夹角为γ或γ+π/2，0≤γ<π，对出射光偏振方向分别实现2γ或2γ+π的偏转，其等效于出射光偏振方向偏转2γ，而相位分别为0或π，从而实现对出射线偏振光的偏振方向0到2π的调控及相位0和π的调控。


2.根据权利要求1所述的全介质、宽带、偏振与相位调控超表面及远场超分辨聚焦器件，其特征在于，所述聚焦器件的有效使用半径Rlens＝N×T，其中N为沿半径方向的全介质半波片超表面单元最大个数，T为全介质半波片超表面单元的周期；所述长方体介质结构的周期阵列分布是指其沿径向的相位分布为其取值为0或π。


3.根据权利要求2所述的全介质、宽带、偏振与相位调控超表面及远场超分辨聚焦器件，其特征在于，所述聚焦器件可在波长范围[λ1,λ2]内具有低吸收率，可将线偏振光转换成柱矢量光束，即角向偏振光、径向偏振光或角向径向复合偏振光，并可在远场实现实心焦斑或空心焦斑超分辨聚焦。


4.根据权利要求3所述的全介质、宽带、偏振与相位调控超表面及远场超分辨聚焦器件...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈刚，温中泉，张智海，梁高峰，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆;50