平面透鏡也稱為超透鏡或超表面透鏡，如今引起了廣泛的關(guān)注。到目前為止，超表面透鏡是通過根據(jù)納米散射器對光的共振或非共振（或兩者）響應(yīng)來設(shè)計，在深亞波長尺度上設(shè)計局部相位輪廓來實現(xiàn)的。這種局部相位映射需要對每個納米散射進行精確控制。此外，目前還沒有表現(xiàn)出多種功能的超表面透鏡。本文介紹了一種用于平面透鏡設(shè)計的新穎的工作機制，稱為全局相位調(diào)制機制。為了說明這個概念，引入了由角余弦波和球面波之間的干涉產(chǎn)生的僅二進制振幅全息圖。所產(chǎn)生的平面透鏡由空間形狀的孔徑組成，可以做得非常薄（60nm），這種技術(shù)可以全局操縱倒易空間中的衍射波矢量。在不同的光源光束（包括平面波光束、渦旋光束和矢量光束）下展示了單平面透鏡的多重聚焦性能。除了成像之外，平面透鏡還能夠?qū)碗s的自加速艾里光束進行傅里葉變換，這是以前沒有考慮到的。所提出的全局機制促進了多功能平面透鏡的新功能，并在成像和光學信息處理等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用。研究展示了設(shè)計平面透鏡的新穎原理。他們提出了一種厚度為60nm的平面透鏡，可以在標量和矢量狀態(tài)下將任意結(jié)構(gòu)光聚焦到衍射極限尺度。說明了平面透鏡的傅里葉變換和成像特性。所展示的多功能平面透鏡可能會在經(jīng)典和量子信息處理中找到有趣的應(yīng)用。

1.簡介

透鏡作為一種不可或缺的元件，在各種光學系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用。然而，現(xiàn)代微型化和集成化趨勢要求透鏡既要輕薄小巧，又要具備多種性能/功能。這對傳統(tǒng)透鏡構(gòu)成了巨大的挑戰(zhàn)，因為其相變機制依賴于折射材料內(nèi)部的光路。因此，傳統(tǒng)透鏡通常都比較笨重。

在過去十年里，被稱為超表面的平面結(jié)構(gòu)界面作為一個新的有趣的光學概念出現(xiàn)，為實現(xiàn)平面透鏡（又稱超透鏡或超構(gòu)透鏡）提供了一個平臺，超透鏡是一種二維平面透鏡結(jié)構(gòu)，是由超表面（具有亞波長厚度的平面二維 (2D) 超材料）聚焦光的光學元件制成。相比傳統(tǒng)透鏡，超透鏡擁有體積更薄、重量更輕、成本更低、成像更好、更易集成的優(yōu)點，為緊湊集成的光學系統(tǒng)提供了潛在的解決方案。并且可通過調(diào)整結(jié)構(gòu)的形狀、旋轉(zhuǎn)方向、高度等參數(shù)實現(xiàn)對光的偏振、相位和振幅等屬性進行調(diào)控。可以用于各種光學應(yīng)用，比如成像、顯示、傳感、通信等。其工作原理主要依賴于光與散射體之間的局部相互作用。因此，亞波長厚度下的光物質(zhì)相互作用為設(shè)計超表面功能提供了一種局部相位調(diào)制方法。例如，可以設(shè)計超表面以獲得球面波陣面，這樣入射光可以聚焦到衍射極限熱點。最近已經(jīng)證明了許多類型的透鏡，包括超高數(shù)值孔徑透鏡、消色差透鏡、和在可見光紅外和太赫茲波長下進行的平面透鏡。

然而，超透鏡的設(shè)計仍然局限于局部相位調(diào)制機制，該機制依賴于諧振或非諧振效應(yīng)（或兩者）。納米散射器的共振效應(yīng)，如Mie共振和等離子體共振，會在局部位置產(chǎn)生突然的相位變化；然而，這些效應(yīng)與波長有關(guān)。由此產(chǎn)生的超透鏡只能在極窄的波長范圍內(nèi)工作。非共振方法基于幾何相位或傳播相位（或兩者）。雖然幾何相位超透鏡可以擴展共振透鏡的帶寬，但它們?nèi)Q于天線的精確旋轉(zhuǎn)以及入射光束的偏振狀態(tài)。然而，傳播相位超透鏡需要超高的長寬比，這給制造帶來了極大的困難。毋庸置疑，上述所有工作原理都有助于在不同光學領(lǐng)域開展重要研究，包括自旋軌道相互作用、光束整形、高分辨率成像、全息攝影、光學隱形等。然而，平面透鏡存在以下重要問題： 首先，由于亞波長特征尺寸較深，局部相位調(diào)制方法會導致復雜的納米光刻制造和蝕刻。其次，亞波長天線對入射光束非常敏感；因此，迄今為止，人們還沒有找到一種能夠適應(yīng)入射光變化的耐用超透鏡。第三，盡管可重構(gòu)的超表面為多功能元器件提供了可能性，但事實證明，要實現(xiàn)具有多種功能的平面透鏡，尤其是在可見光波段，具有很大的挑戰(zhàn)性。

在這項工作中，我們展示了一種新穎的平面透鏡設(shè)計工作原理，其基本機制是基于從角余弦波和球面波之間的干涉獲得的僅振幅全息圖。通過探索全息圖的二進制編碼技術(shù)，我們獲得了一個典型厚度僅為60nm的超薄平面透鏡。這一原理的獨特之處在于它能夠?qū)崿F(xiàn)平面透鏡設(shè)計的全局相位映射，從而規(guī)避了由局部相位調(diào)制方法引起的限制。此外，由此產(chǎn)生的平面透鏡包含旋轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu)，有助于實現(xiàn)新的功能。我們展示了 平面透鏡在不同光源光束（如平面波光束、渦流光束和矢量光束）下的多種聚焦性能。使用單平面透鏡檢查成像和傅立葉變換特性。所提出的全局機制為多功能平面透鏡或其他平面器件的設(shè)計提供了一條有前景的途徑，也將促進相關(guān)應(yīng)用的持續(xù)研究。

2. 全局機制、設(shè)計和制造

全息元件可從球面波與非常規(guī)余弦波的干涉中獲得，用 cos (mθ) 表示，其中 θ 表示方位角，在坐標系 {x, y} 中定義為 = arctan(y / x)，m 表示角波沿 θ 的振蕩頻率。m 的值可以是整數(shù)，也可以是非整數(shù)。與正常的余弦波[cos (kxx)或 cos (kyy)]不同，這種攜帶球面相位信息的異常角波隨方位角呈周期性變化。因此，產(chǎn)生的全息圖具有旋轉(zhuǎn)重復但非周期性的結(jié)構(gòu)，如圖1所示。這種全息圖的優(yōu)點如下： 全息圖為入射光增加了一個會聚波面，同時對振幅、相位和偏振等光參數(shù)的變化不敏感。也就是說，當任意結(jié)構(gòu)的光被全息圖衍射時，它可以保留其初始相位和偏振特性。這使得所設(shè)計的平面透鏡具有多種性能。它能夠在全矢量波框架內(nèi)處理復雜的結(jié)構(gòu)光，而不局限于具有均勻偏振的標量波光源。

為了從理論上解決這個問題設(shè)t（x，y）表示在（x，y）位置的僅振幅全息圖的局部透射率，其歸一化形式為

其中φ=2π/λ(x²+y²+z²) ^1/2為球面相位輪廓，λ為設(shè)計波長，z_f為平面透鏡的預(yù)期焦距?？紤]到全息圖是由橫向平面上的兩波干涉產(chǎn)生，我們將相位表達式簡化為 ? = π(x² + y²)/(λz_f), 在傍軸波條件的幫助下，我們忽略了縱向項2πz_f/λ，因為它對全息圖沒有影響。請注意，我們假設(shè)波沿z軸傳播。

t(x, y) 的值從0到1之間連續(xù)變化，這樣的全息圖可以通過將連續(xù)值離散為多個級來實驗實現(xiàn)，從而產(chǎn)生多級振幅元素。盡管它能很好地再現(xiàn)所需的球面波，但多層掩模的制造是具有挑戰(zhàn)性的，因為需要精確控制具有不同透射率的多個掩模的灰度。為解決這一難題，我們尋找一種編碼技術(shù)來獲得僅二進制振幅的全息圖。我們根據(jù)與振幅相關(guān)的閾值截斷傳輸函數(shù) t(x, y)，然后，我們將小于和大于閾值的t（x，y）的值分別設(shè)置為0和1。以這種方式，僅二進制振幅的全息圖可以表示為

其中A是引入以調(diào)整入射振幅的不均勻分布的偏置函數(shù)。請注意，如果考慮入射平面波，cos（arcsin A）= 1。所獲得的二進制掩膜實現(xiàn)了入射光的突變。在倒易空間中，由于光波被截斷，顯著的衍射波矢量被誘導并排列成相長聚焦。因此，這種技術(shù)可以在倒易空間對波矢量進行全局操控，而不是在真實空間對相位變化進行局部操控。很明顯，所獲得的二元僅振幅全息圖主要由兩個獨立的參數(shù)決定：拓撲電荷 m（決定全息圖的幾何布局）和焦距。拓撲電荷 m 決定了全息圖的幾何布局，而焦距 z_f 則決定了平面透鏡的數(shù)值孔徑。

圖 1a-d 顯示了根據(jù)公式計算出的二元純振幅全息圖的幾何布局，其典型拓撲電荷分別為 m = 4、m = 6、m = 8 和 m = 10。結(jié)果表明，所產(chǎn)生的平面透鏡由多個孔徑組成，在橫向平面上具有 m 倍旋轉(zhuǎn)對稱和非周期性分布?？讖降膸缀谓Y(jié)構(gòu)，如大小和形狀，基本上反映了球面相位的信息。我們強調(diào)，這種全局相位映射與之前報道的局部相位映射完全不同，后者需要對納米結(jié)構(gòu)的形狀和尺寸進行參數(shù)掃描，從而建立相位優(yōu)化參數(shù)庫。

圖 1. 全局設(shè)計的平面透鏡及其在空間結(jié)構(gòu)光場聚焦和處理方面的潛力。其基本思想是利用角余弦波載波，將光的整體球面波陣面編碼為二進制純振幅全息圖。(a-d）為平面透鏡的理論布局，（e-h）為相應(yīng)的實驗布局，典型的拓撲電荷為：（a,e）m = 4；（b,f）m = 6；（c,g）m = 8；（d,h）m = 10. i），當空間結(jié)構(gòu)光束（如渦旋光束和矢量光束）照射時，設(shè)計的平面透鏡有望實現(xiàn)多重聚焦性能。此外，還能實現(xiàn)更多的功能，例如對非衍射和自加速艾里光束進行傅里葉變換。（a-h）中的面板比例相同，比例尺為10μm。

二元掩膜要求入射光必須在孔徑內(nèi)自由傳輸，而在靠近孔徑邊緣的地方，光線應(yīng)被截斷。為此，在厚度為60nm的金屬膜上制作了平面透鏡結(jié)構(gòu)（50nm的金膜加上10nm的鉻膜作為粘合層）。具體來說，將金屬膜沉積在0.3mm厚的玻璃基板上。我們首先用紫外光刻形成掩膜，然后用離子束蝕刻掩膜以獲得所需的圖案。我們要強調(diào)的是，玻璃基底層僅作為金屬膜的支架，并不影響平面透鏡的性能。圖 1e-h 展示了不同拓撲布局的制作平面透鏡，分別為 m = 4、m = 6、m = 8 和 m = 10。圖 1a-d 所示的相應(yīng)設(shè)計平面透鏡結(jié)構(gòu)。由于布局的旋轉(zhuǎn)對稱性，我們希望平面透鏡除了能聚焦入射平面波外，它還可以用于聚焦空間相位和偏振結(jié)構(gòu)光束，如渦旋光束和矢量光束。初始相位和偏振結(jié)構(gòu)的保留可以歸因于這樣一個事實，即所設(shè)計的平面透鏡具有旋轉(zhuǎn)布局，產(chǎn)生的衍射波矢量在倒數(shù)空間呈圓柱形分布。此外，我們還研究了平面透鏡的多種功能，包括對復雜的自加速艾里光束進行傅立葉變換和光學成像，如圖 1i 所示。

3. 平面透鏡的特性

首先，我們研究平面透鏡在平面波光源下的聚焦性能。我們考慮了一個60nm厚的平面透鏡，其焦距為z_f=50μm，直徑為70μm。波長為λ=632.8nm。為了研究聚焦效應(yīng)，我們沿著距離z掃描傳播光場。圖2a展示了四種不同拓撲布局(m=4、6、8和10)下x?z平面中光場的測量強度分布。不出所料，所有這些平面透鏡都在z_f附近的距離上顯示出明顯的衍射聚焦點。聚焦點。觀察到的聚焦效果歸因于全息圖中的球面相位輪廓。這些結(jié)果表明，全局 相位調(diào)制機制的有效性。為了描述平面透鏡的工作性能，我們顯示了焦平面上光場的橫向強度分布，見圖 2b。獲得的光點呈現(xiàn)出近似圓柱形的對稱性 并在能量上占主導地位，而焦點周圍的側(cè)面幾乎可以忽略不計。我們測量了焦平面光斑的半峰全寬（FWHM），結(jié)果發(fā)現(xiàn) FWHM 值為540nm，如圖 2c 中的強度曲線（紅色曲線）所示，所獲得的光斑大小處于亞波長尺度中。為了描述聚焦能力，我們檢查了平面透鏡的數(shù)值孔徑。定義為NA=0.61λ/ra，其中ra表示從焦斑中心峰值到其第一個最小值的半徑。通過這種方式，我們就得到了數(shù)值孔徑NA≈0.7。為了評估聚焦效率，我們測量了第一個Airy環(huán)ra內(nèi)的功率與焦平面上的衍射光場總功率之比。因此，我們得出聚焦效率為2.2%。效率低的原因是由于破壞性波矢量攜帶了大部分的波能。如果我們考慮焦點場的峰值強度與入射強度之比，則所得強度比率可以測量為42%。圖 2 表明，具有不同拓撲布局的平面透鏡具有幾乎相同的性能：它們的焦距和入射角度幾乎相同。它們的焦距、數(shù)值孔徑和焦深幾乎相同。這些結(jié)果表明，角余弦波只起著球面相位信息載體的作用。

我們進行了模擬以證實我們的實驗測量結(jié)果。在模擬中，基爾霍夫邊界條件被應(yīng)用于結(jié)構(gòu)化金屬膜。根據(jù)傍軸亥姆霍茲方程模擬通過平面透鏡后的光場

其中，E 表示 z 距離處的傳播光場，k = 2π/λ 為自由空間波數(shù)。對于平面波光源，我們采用快速傅立葉變換算法求解波方程，初始條件為 E(x, y, z = 0) = E0t(x, y)，其中 E0 是一個常數(shù)，代表平面波。根據(jù)這些設(shè)置，我們在圖 2 中展示了模擬結(jié)果，從圖 2a 中的強度分布和圖 2c 中的剖面可以判斷，模擬結(jié)果與實驗測量結(jié)果非常吻合。模擬結(jié)果顯示聚焦效率約為≈3%，與實驗結(jié)果大致吻合。

圖 3. 平面透鏡在空間結(jié)構(gòu)光光源下的亞波長聚焦性能。我們考慮了兩種結(jié)構(gòu)光束，即徑向偏振矢量光束和渦流光束。如圖2所示，使用相同的平面透鏡（m=8）對聚焦性能進行了檢驗。(a-d) 在（a,b）矢量光束和（c,d）渦流光束情況下，沿 x - z 平面測量和模擬的衍射光場強度分布。(e,g)為實驗結(jié)果；(f,h)為模擬結(jié)果。為了研究焦平面的光狀態(tài)，(i) 和 (k) 分別顯示了實驗矢量場的 x 分量和渦旋場的平面波干涉條紋；(j) 和 (l) 則分別顯示了矢量光束和渦旋光束在焦平面的偏振和相位分布。

除了平面波光源外，我們還研究了同一平面透鏡在更為復雜的結(jié)構(gòu)光光源下的多重聚焦性能。實驗中考慮了兩種結(jié)構(gòu)化激光光束：矢量光束和渦旋光束。這些光束在相位或偏振（或兩者的組合）上具有空間結(jié)構(gòu)，由于其有趣的光束結(jié)構(gòu)可以誘發(fā)基本現(xiàn)象并觸發(fā)潛在應(yīng)用，因此一直備受關(guān)注。然而，目前還沒有一種平面透鏡可以同時以衍射極限分辨率聚焦這些結(jié)構(gòu)光束。全局相位調(diào)制機制使我們能夠研究這個尚未報道的問題。為了描述這些性能，我們在入射光束結(jié)構(gòu)化之前，我們先插入一個渦旋波板或q板來構(gòu)造入射光束。通過這種方式，我們可以從波導板輸出一階渦旋光束或徑向偏振矢量光束，實驗記錄的矢量光束和渦旋光束在 x-z 平面上的強度分布如圖 3a、c 所示。圖中顯示兩種結(jié)構(gòu)光束都能被平面透鏡聚焦到z_f≈50μm的位置（為便于說明我們只考察拓撲布局為m=8的平面透鏡的性能). 為了進一步說明聚焦結(jié)構(gòu)光的特點，我們在圖 3e、g 中繪制了它們的聚焦光場，并描繪了它們在y=0時沿x的相應(yīng)強度分布，見圖中插入的白色曲線?？梢钥闯觯瑑蓚€焦點光場都呈現(xiàn)出清晰的圓環(huán)形狀分布，其峰間值測量為≈1.2μm，中心暗洞的 FWHM 值測量為約0.6μm，小于一個波長。特別要注意的是，平面透鏡的強聚焦效應(yīng)并沒有改變結(jié)構(gòu)光束的入射相位和偏振特性。在焦平面測量到的矢量光束的水平偏振分量（見圖 3i）和聚焦渦旋光束與平面波的干涉（見圖 3k）分別證實了這一點。圖 3i 和圖 3k 中的兩個探測結(jié)果都表明初始結(jié)構(gòu)的矢量或渦流束在通過平面透鏡時保持其拓撲（偏振或相位）特性。從結(jié)果中可以看出，由于平面透鏡的數(shù)值孔徑相同，矢量光束和渦旋光束表現(xiàn)出相似的聚焦特征，具有幾乎相同的強度分布。

在模擬中，我們通過求解標量和矢量狀態(tài)下的波方程，重現(xiàn)了結(jié)構(gòu)光聚焦的結(jié)果。具體來說，對于漩渦光束，我們將平面波條件替換為以下光條件：

其中，f (r) = r /σ₀ exp(-r²/σ₀² )表示拉蓋爾-高斯（LG）函數(shù)。這里，σ₀ 表示高斯寬度，r = (x² + y²)^1/2。在這種情況下，我們通過求解上述準軸向亥姆霍茲方程來重復渦流光束的聚焦現(xiàn)象，數(shù)值結(jié)果如圖 3d 所示。對于矢量光束光源，我們考慮求解矢量波方程

其中 E 表示矢量光場。初始偏振結(jié)構(gòu)光束表示為：

其中 x 和 y 分別是與 x 坐標和 y 坐標相關(guān)的單位向量。如圖 1i 所示，z = 0 處的光束 E 在空間呈輻射偏振。圖 3b 描述了數(shù)值結(jié)果，與圖 3a 所示的實驗結(jié)果非常吻合。我們的模擬結(jié)果進一步表明，除了渦旋光束和矢量光束之外，任何相位或偏振結(jié)構(gòu)的光束都能被平面透鏡以衍射極限分辨率聚焦。下面我們將討論平面透鏡在光學信息處理和成像中的應(yīng)用。傅立葉變換是透鏡最重要的特性之一，也是光學信息處理的基本技術(shù)。我們的傅立葉變換特性演示僅限于平面透鏡。在這方面，據(jù)我們所知，迄今為止還沒有關(guān)于這一重要特性的報道，這可能是由于所報道的超表面透鏡在受到復雜的傅立葉變換光束光源時無法保持其球面或拋物線相位輪廓。長工作距離的大型平面透鏡將有助于這方面的研究。為了說明這一點，我們擴展了全局機制的概念，創(chuàng)建了一個厚度為60nm、直徑為5mm的大型平面透鏡。在設(shè)計和制造過程中，我們考慮了 m = 8 的典型拓撲布局和波長為 λ = 632.8 nm 時 z_f= 18cm 的焦距。大型平面透鏡的聚焦性能將在稍后進行解說。測量傅立葉變換光束的實驗裝置如圖 4b 所示。該裝置包括一個 632.8 nm 連續(xù)波激光器和一個反射式純相位空間光調(diào)制器。將目標的傅立葉光譜印在 SLM 上，并將平面透鏡放置在距離SLM 18cm的位置。通過平面透鏡進行傅立葉變換后產(chǎn)生的光束被成像到電荷耦合器件（CCD）上。在此，我們以已被廣泛研究的自加速艾里光束為例。我們知道艾里光束的傅立葉變換是由立方相位調(diào)制的高斯光束，因此我們將圖 4a 所示的二維立方相位掩膜加載到 SLM 上。圖 4c 顯示了不同距離上生成的艾里光束的強度分布。從圖中可以看出，平面透鏡能很好地產(chǎn)生艾里光束。它遵循拋物線軌跡，在自由空間傳播過程中表現(xiàn)出非衍射和自加速特性。我們的測量結(jié)果表明，在 z=17cm到 22cm的傳播距離內(nèi)，主面的位置橫向偏移了250μm。在這個距離內(nèi)，主面保持了原始寬度，F(xiàn)WHM≈160μm。這一結(jié)果表明，所設(shè)計的平面透鏡能夠在光學系統(tǒng)中進行傅立葉變換。

為了演示使用同一平面透鏡的實際成像效果、 我們進行了另一項實驗，我們進行了另一個實驗來解析1951年美國空軍（USAF）的標準測試圖。測試圖的示意圖如圖 4f 所示。顯示了具有不同空間分辨率的不同水平線和垂直線組。圖表從背面泛光照射。實驗裝置見圖 4d。如圖所示，置于平面透鏡前焦面的文本圖表被激光束（λ=632）照射。透射光隨后被平面透鏡收集并投射到電荷耦合器件上。圖 4e、g 分別清晰地顯示了圖 4f 中高亮區(qū)域的圖像，可以清晰地分辨出第 4 組的亮線和暗線，這表明分辨率≈22.1μm，相當于放大1.3倍。我們進一步確定了成像效率的特征。即圖像內(nèi)部像素值之和與整個幀中所有像素值之總和的比率。因此，我們獲得了圖4e，g中的成像效率分別為5.70%和4.28%。

最后，我們將討論平面透鏡在可見光范圍內(nèi)的寬帶性能。我們用圖 4 中提到的更大規(guī)模的平面透鏡來演示這一問題。圖5a、b分別以數(shù)值和實驗方式顯示了在430nm和780nm之間的可見光波長下的寬帶聚焦特性。這些圖顯示了光場沿傳播距離的強度分布。圖中顯示所有波長的入射光束在平面透鏡后都表現(xiàn)出明顯的衍射聚焦效應(yīng)。由于平面透鏡的色散，焦點位置的移動幾乎與照明波長的倒數(shù)成線性關(guān)系。隨著光源波長的倒數(shù)而移動，而焦斑的大小基本保持不變。當波長從780到430nm時，可見光可以聚焦到z_f=15到28.9cm的軸向位置，這一點值得評估。

根據(jù)拋物線相位表達式?=π(x²+y²)/(λz_f)可以理解焦點偏移：波長的增加相當于焦距z_f的減小。在相應(yīng)焦平面上記錄的焦斑（圖 5c）呈 圓形對稱分布。我們還對焦斑的半峰全寬進行了檢測，其值顯示在焦斑的強度曲線上（圖 5c 中的白色曲線）。我們測得大尺寸平面透鏡的聚焦效率≈4.5%，值得一提的是，雖然我們只研究了可見光波段的寬帶性能，但全局相位調(diào)制機制對于平面透鏡設(shè)計是通用的，因此，全局相位調(diào)制的概念也可以擴展到整個不可見光波段。平面透鏡的波長可控焦距可在光學斷層成像等方面得到有用的應(yīng)用。另一方面，我們注意到還可以補償由色散引起的焦距偏移，從而實現(xiàn)寬帶消色差性能，平面透鏡的另一個可行解決方案是在基板和平面透鏡之間設(shè)計一個適當?shù)恼掣綄?，該層?yīng)具有與平面透鏡相反的色散特性。這可以通過在襯底和平面透鏡之間插入亞波長波導來實現(xiàn)。

圖 5. 全局設(shè)計平面透鏡的寬帶特性。我們對圖 4 中使用的平面透鏡的寬帶性能進行了描述。 (a) 不同可見光波長的衍射光場沿 x-z 平面的模擬強度分布，與 (b) 中的實驗結(jié)果一致。(c) 同一比例尺下記錄的聚焦光場的相應(yīng)強度分布：50μm。用偽色表示不同波長。

4. 結(jié)論

總之，我們展示了一種用于設(shè)計超薄平面透鏡的全局相位調(diào)制機制。與那些局部相位調(diào)制方法相比，該技術(shù)更易于制造。其基本工作原理是以二進制全息圖為基礎(chǔ)，對光的整體球面波陣面進行全局編碼。利用這個新平臺，我們實現(xiàn)了厚度僅為 60nm的超薄平面透鏡，可在整個可見光的透射模式下工作。需要注意的是，這項技術(shù)在小型和大型平面透鏡的設(shè)計和制造中都是可行的，因此可以實現(xiàn)高數(shù)值孔徑和低數(shù)值孔徑的平面透鏡。我們用實驗和數(shù)值方法鑒定了平面透鏡在不同光束照射下的標量和矢量性能。此外，我們還利用平面透鏡研究了復雜自加速艾里光束的傅里葉變換。這些功能以前從未涉及過，也很難通過單個基于超表面的平面透鏡來實現(xiàn)?？傊覀兿嘈盼覀兊难菔緸樵O(shè)計多功能平面透鏡提供了一種新技術(shù)，并可能找到獨特的應(yīng)用。例如，可以在納米級上研究結(jié)構(gòu)光和材料之間的相互作用。利用所介紹的平面透鏡，我們可以克服緊聚焦結(jié)構(gòu)光的去偏振效應(yīng)，從而實現(xiàn)納米級拓撲結(jié)構(gòu)保持光束，如渦旋光束和矢量光束。這為 研究亞波長尺度的自旋軌道現(xiàn)象及其在片上信息處理中的潛在應(yīng)用。

平面透鏡 超透鏡的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用

超透鏡，正式名稱為超構(gòu)透鏡或超表面結(jié)構(gòu)透鏡，是一種運用先進的光學原理和納米工藝制造出的二維平面透鏡。與傳統(tǒng)的透鏡相比，超透鏡采用了所謂的“超表面”——這是一種具有亞波長厚度的平面二維超材料。其核心機制在于通過改變光的相位、振幅和偏振，以此達成特定的成像或其他光學效應(yīng)。超透鏡擁有體積更薄、重量更輕、成本更低、成像更好、更易集成的優(yōu)點，為緊湊集成的光學系統(tǒng)提供了潛在的解決方案。并且可通過調(diào)整結(jié)構(gòu)的形狀、旋轉(zhuǎn)方向、高度等參數(shù)實現(xiàn)對光的偏振、相位和振幅等屬性進行調(diào)控。

高數(shù)值孔徑 (NA) 超透鏡

超透鏡的聚焦效率是成像和傳感應(yīng)用的關(guān)鍵。通過抑制 1) 由具有波長尺度尺寸的結(jié)構(gòu)引起的散射，2) 由阻抗失配引起的反射，以及 3) 由材料損耗引起的材料吸收，可以提高超透鏡的聚焦效率。共振、幾何和傳播相位機制可用于增強聚焦性能。

消色差超透鏡 (AML)

超透鏡作為一種衍射光學器件，與其它衍射透鏡一樣，其自身也存在著嚴重的色差。盡管這類透鏡能夠在較寬的光學波段工作，然而色差的存在嚴重限制了在光學聚焦和成像當中的應(yīng)用。特別是對于光學超分辨平面超構(gòu)透鏡，如何在實現(xiàn)超分辨點光學擴散的同時，消除平面超構(gòu)透鏡的色差還面臨著諸多挑戰(zhàn)。

• 多波長消色差超透鏡：基于低損耗耦合矩形介電諧振器的超透鏡

• 寬帶消色差超透鏡：不同超透鏡的構(gòu)建模塊和強度分布

• 窄帶消色差超透鏡

多焦點超透鏡

具有多個焦點的聚焦透鏡是重要的光學元件。在多光譜相機中，使用多個鏡頭來實現(xiàn)多點聚焦，導致設(shè)備體積大、重量大、成本高。超表面通過專門的設(shè)計可以有效解決這個問題，可以簡化光學系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，具有薄型化、小型化和高集成度等特點。

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