大视场级联超表面透镜的聚焦与成像设计方法研究.doc

大视场级联超表面透镜的聚焦与成像设计方法研究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_iO₂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_iO₂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。