基于PB相位的等离子体超透镜设计

新技术新工艺2020年第8期

细胞培养工作站基于PB相位的等离子体超透镜设计#

夏习成，姚赞

(中国科学技术大学精密机械与精密仪器系，安徽合肥230027)

摘要：相较于传统光学透镜，超透镜具有对光的可操纵性强、设计灵活和易于集成化等众多优点。然而基于电介质的超透镜需要亚波长尺度的高深宽比结构，对加工技术要求十分苛刻&提出了一种基于PB相位的等离子体超透镜设计方式，通过控制结构单元光轴方向可以实现对圆偏振光的调控，设计中采用的在金膜上刻蚀矩形孔的方式可以大大降低对加工条件的要求。基于时域有限差分(FDTD)的仿真计算表明，超透镜的焦距与设计值偏差约为2.5%，焦点半高宽(FWHM)与衍射极限偏差约为2.7%，具有较好的吻合度。漂浮箱

关键词：超表面；超透镜；相位调控；PB相位；时域有限差分；圆偏振光

中图分类号:TH74文献标志码:A

Design of Plasma Metalens Based on PB Phase

指纹识别模块XIA Xicheng,YAO Zan

(Department of Precision Machinery and Instrumentation,University of Science and Technology of China,Hefei230027 ,China) Abstract:Compared with traditional optical lens,the metalens had many advantages such as strong maneuverability to light ,flexible design,easy integration and so on.However,dielectric-based metalens required a high aspect ratio structure atthesub-wavelengthscale whichdemandedhighprocessingtechnology APBphase-basedplasmametalensdesignmethod wasproposed bycontro l ingthedirectionoftheopticalaxisofthestructuralunit itwaspossibletoadjustthephaseofthe circularly polarized light,the method of etching rectangular holes in the gold film used in this design could greatly reduce pDocessingDequiDements.The simulation calculation based on finite di f eDence in time domain(FDTD)showed that the devi-ationofthefocallengthofthemetalensfDomthedesignvaluewasabout2.5%and the deviation between the FWHM with thedi D actionlimitwasabout2.7%ithadagoodagDeement.日盲紫外探测器>亚克力水晶字制作

Keywords:metasuDface metalens phasecontDol PBphase finitedi f eDenceintimedomain ciDculaDlypolaDizedlight

传统的聚焦透镜对光线的调控依赖于沿着光路的相位积累，因此会受到自然材料折射率的限制’此外，对制造工艺的要求也会很高，想要加工高精度的透镜十分困难’超表面的优越特性吸引了国内外学者的极大兴趣，其概念最早由Yu等提出，他们提出了一种V形纳米天线组成的超表面山，通过改变天线的开口方向可以实现对圆偏振光的调控，并提出了广义斯涅尔定律来解释。在此之后矩形超表面閃、H形超表面等多种形式的纳米天线结构相继被提出。哈佛大学的Khorasaninejad等使用全介质超表面实现了聚焦透镜的设计［3］，由于电介质材料对于光的吸收特性很弱，因此具有很高的透射效率。但是电介质超透镜需要利用高深宽比的结构特性来实现对光场的调控，以达到改变介质材料等效折射率的目的，因此想要加工这样的高深宽比结构，需要使用先进的微纳加工工艺才能实现，短期内难以实现实际的应用。大多数超表面都是基于线偏振光进行研究，而PB相位则是面向圆偏振光的一种调控方式。Pancharatnam"〕和Berry［5］相继发现了几何相位的关系，当圆偏振光入射到结构上时，会产生与入射光相反旋向的交叉圆偏振光，而通过适当的结构设计可以达到旋转光轴的效果，光轴与坐标轴的夹角会发生改变，从而交叉圆偏振光的相位就得到了调控。在此之后,Lin等利用PB相位原理设计了Si纳米天线的光栅式超表面，实现了透镜的聚焦［6\超表面的设计方式多种多样，其目的皆为对光的振幅、相位和偏振的调控，并且在消差透镜光学全息+910〕和涡旋光发生器+11〕等方面实现了应用。由于其亚波长的尺寸，使其在实现光学系统的集成化和微型化方面具有广阔的应用前景。

本文提出了一种基于PB相位的等离子体超透镜，使用在金膜上刻蚀矩形孔的方式进行结构设计，不同

于电介质超表面对加工工艺的严格要求，本设计中的结构可以采用成熟的电子束刻蚀(EBL)或者聚焦离子束刻蚀(FIB)加工方式简化加工工艺，易于制备实现。

1理论分析

PB相位被用来调控圆偏振光通过设计结构的参数实现对光轴的旋转因此利用此原理的研究者

46《新技术新工艺》设计与计算

>设备故障诊断系统

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