大视场级联超表面透镜的聚焦与成像设计方法研究

发布时间：2020-05-12 12:00

【摘要】：在常用的光学成像系统中,传统透镜主要依赖光在传播过程中因透镜厚度差而产生相位差的工作原理,实现聚焦与成像的功能,这对透镜的面形和厚度有着严格的要求,因而不利于光学系统的集成化和轻量化。超表面是一种由亚波长尺度的单元结构材料组合而成的阵列型膜层器件,又被称为二维超构材料,它能够通过自身亚波长单元结构阵列与电磁波束的相互作用,实现对电磁波振幅、偏振态、相位等基本信息的灵活调控。相比于传统光学透镜,超表面透镜表现出传统透镜不具备的轻量化、平面共形、方便集成等优越特性,因而被广泛应用于平面成像、全息成像、光束整形、超分辨光刻等研究领域。因此,超表面透镜有望突破传统光学透镜面形与尺寸厚度的限制,成为下一代光学器件。然而,在实际成像应用中,单层超表面透镜仅能对小入射角度的光束进行调制,而轴外像差严重,极大限制了超表面透镜的成像应用。为了获取更大视场范围内的物空间信息,实现大视场成像,本文对超表面透镜的视场受限问题进行了分析研究,在紫外光与可见光波段内,提出了两种解决超表面透镜视场受限的方案,主要如下:1.在紫外光375nm处,设计了偏振无关的双层级联超表面透镜,采用传输相位作为超表面透镜单元结构的相位调制方法,通过不同尺寸T_iO_2圆形纳米柱对线偏振入射光进行两次非球面相位调制,实现了60°视场范围内接近衍射极限的偏振无关聚焦与成像。2.在可见光532±5nm波段,设计了基于几何位相的三层级联超表面透镜,通过不同旋向T_iO_2矩形纳米柱单元结构对左旋圆偏振入射光进行相应非球面相位调制,实现了90°视场范围内10nm带宽接近衍射极限的聚焦与成像。
【图文】：

图 1.1 二维广义斯涅尔折射定律示意图[29]Two-dimension generalized Snell’s law of refra述：光在空间中进行传播时，从一点传播光经过多少次折射或者反射，它所经过的，光从空间折射率为 ni的 A 点经过其中任后汇聚到另一空间折射率为 nt的 B 点，光nrdrBA ，其中 n r代表空间传播位置可以得到 A、B 两点间任意传输路径的光位时，即可得到 0 BA r d r；如果

图 1.2 三维广义折反射定律示意图[30]Three-dimension generalized law of refraction an公式（1.7）中，，dxd 、dyd 为对应方向上广义折、反射定律为二维超表面与三维超根据公式的具体数学表达形式，仅需要在应的相位梯度dxd 、dyd ，就可以对电磁波在界面上通过改变单元结构的尺寸、形状对应的突变相位，通过相位梯度设计，就、相位信息精确而有效的调控，实现众多
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH74;O439

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本文编号：2660187