基于偏振和拉伸控制的焦距可调超透镜设计

本发明涉及一种基于偏振和拉伸控制的焦距可调超透镜设计方法，属于新型人工电磁材料和电磁波调控。

背景技术：

1、超表面是一种拥有独特电磁响应的亚波长人工天线组成的二维平面。通过精心设计这些亚波长天线的形状、尺寸以及排列方式可以实现对电磁波振幅、偏振和相位的操控。近几年，已经成功将许多大型光学设备设计成尺寸为微米级甚至纳米级的超薄元件。然而，大多数超表面器件在结构确定后不具备动态可调谐能力。在变焦成像、传感和激光雷达测距等系统对主动可调谐元件有着强烈需求的当下，超表面器件从静态发展为主动可调谐是一种必然趋势。

2、变焦超透镜是可调谐超表面的重要应用之一。在传统光学中，焦距的控制主要是通过机械手段改变透镜对之间的轴向距离来实现。相比之下，变焦超透镜体积小并且具有更快的反应速度。对入射光偏振的复用是实现变焦最直接的手段。基于此，fan等人提出了一种高效率线偏振复用超透镜，可以在x、y线偏振光下分别聚焦到两个不同的焦平面。yao等人提出了一个圆偏振控制的变焦透镜，可以通过调节圆偏振光的入射偏振控制焦距。然而，此类超透镜仅能实现两个固定焦平面间的切换。作为对比的，arbabi等人提出了一种mems可调谐电介质超表面透镜。可以通过mems控制透镜组的间距，从而实现变焦。ding等人提出了一种石墨烯孔径超透镜，可以通过调节石墨烯表面费米能级实现变焦。虽然此类透镜可以实现焦距的连续可调，但是较小的调谐范围会限制它在许多成像领域的应用。

3、本发明中我们提出了一种基于偏振和拉伸控制的大变焦范围可调超透镜设计方法。双控制的方案使得它具有在正交线偏振入射下大范围变焦的能力。我们分析了高折射介质si嵌入在可拉伸材料pdms的磁场，验证了结构单元在不同拉伸比下的弱耦合性质。接着,针对不同拉伸比下结构单元的相位响应，我们在正交偏振下对波前相位轮廓进行了定制，确保了x、y偏振下变焦的流畅衔接。仿真结果表明，超透镜的动态聚焦范围为最小焦距的200％以上。此外，透镜在每个拉伸比下都有着接近衍射极限的聚焦，聚焦效率保持在30％以上。本发明具有可观的可调节变焦范围，因此具有重要的学术意义和应用价值。

技术实现思路

1、本发明涉及一种基于偏振和拉伸控制的焦距可调超透镜设计方法，其结构简单，便于制作。

2、本发明通过以下技术方案来实现：

3、基于偏振和拉伸控制的焦距可调超透镜，其表面由59x59个矩形纳米柱组成，工作原理如图1(a)所示。

4、超透镜的单元结构由高折射率的si纳米柱(n＝3.61)完全嵌入到可拉伸介质pdms(n＝1.41)中组成，这可以减少超透镜在重复拉伸和释放的过程中的磨损。

5、单元结构侧视图、俯视图如图1(b)和(c)所示，其尺寸皆从数据库内挑选，数据库通过扫描矩形的长l、宽w从50nm到360nm所建立。

6、透过超透镜的光需要被一个收敛的波前调制，使得透过超表面的光都能得到相位补偿，逐渐收拢到一个焦点fn，当我们以拉伸比α(α＞1)拉伸基底时，此时相位轮廓会向外延展，经过超表面得光线会聚焦到更远的焦点fs，见图1(d)。

7、结构单元之间的弱耦合是传输相位原理的关键，产生于纳米柱与其周围介质之间的高折射率对比，其表现形式为纳米柱内能量密度的高局域化，见图2(a)、(b)和(c)。

8、两个有着不同的焦距的相位轮廓被编码在一个超表面上，最后匹配的结构单元提供的相位响应能近似地表示所设计超透镜的理想相位轮廓，见图2(e)和(g)。

9、所有的仿真边界条件设为完美匹配层(pml)，采用光源波长分别为915nm,入射方式为透射。

10、在双偏振通道下，焦距随着拉伸比的增加而增加，见图4。

11、当x偏振和y偏振入射时，拉伸可调谐范围分别为11.4～20.6um、20.7～36.4um，动态聚焦范围为最小焦距的213.8％，见图4。

12、图5(a)表示了沿z方向的归一化强度分布曲线。在双偏振通道的每个拉伸比例下，超透镜都展示了近乎衍射极限的聚焦，焦斑得到了有效的限制，见图5(b)。

13、在100～130％的拉伸比下，聚焦效率都保持在30％以上,见图5(d)。

14、与现有技术相比，本发明的优点：

15、双控制的方案有效地克服了传统偏振复用超透镜不能连续变焦问题,见图3(a)。

16、与单一控制的可调谐超透镜相比，该设计拥有可观的焦距可调谐范围.见图3(b)。

技术特征：

1.基于偏振和拉伸控制的焦距可调超透镜设计，其特征在于：高折射率的si纳米柱(n＝3.61)完全嵌入到可拉伸介质pdms(n＝1.41)中，这可以减少超透镜在重复拉伸和释放的过程中的磨损。

2.根据权利要求1所述的一种基于偏振和拉伸控制的焦距可调超透镜设计，其特征在于：超透镜的焦距随入射偏振的变化而变化。

3.根据权利要求1所述的一种基于偏振和拉伸控制的焦距可调超透镜设计，其特征在于：超透镜的焦距随弹性基底pdms的径向拉伸比的变化而变化。

4.根据权利要求1所述的一种基于偏振和拉伸控制的焦距可调超透镜设计，其特征在于：结构单元在100％拉伸比下周期p＝400nm、半径r1＝11.8um、工作波长λ＝915nm，保证了基底在线性拉伸过程中周期皆满足奈奎斯特采样标准。

5.根据权利要求1所述的一种基于偏振和拉伸控制的焦距可调超透镜设计，其特征在于：在各个拉伸比、各个偏振状态下的结构单元之间都呈现弱耦合。

6.根据权利要求1所述的一种基于偏振和拉伸控制的焦距可调超透镜设计，其特征在于：不局限于工作波长，超透镜在830-1000nm宽带范围内仍然可以实现大范围可调的聚焦特性。

技术总结本发明提出一种基于偏振和拉伸控制的焦距可调超透镜设计方法。当x偏振和y偏振入射时，拉伸可调谐范围分别为11.4～20.6um、20.7～36.4um，动态聚焦范围为最小焦距的213.8％。以同样的条件，我们还构造了一个仅偏振控制和一个仅拉伸控制超透镜。对比表明，双控制的方案有效地克服了传统偏振复用超透镜不能连续变焦问题。此外，与单一控制的可调谐超透镜相比，该设计拥有可观的焦距可调谐范围。因此，在VR/AR显示技术、全息成像等方面，它具有广泛的应用前景。技术研发人员：肖功利,张家荣,杨宏艳,陈赞辉,刘兴鹏,王阳培华,孙堂友,李海鸥受保护的技术使用者：桂林电子科技大学技术研发日：技术公布日：2024/6/2