Linearly polarization distinguishing metalens in the visible wavelength

原创作者：胡铁 纳米光子实验室 目前研究方向：可见光宽谱介质偏振计

——— ||| 导读 ||| ———

2019年1月15号在Optics letters上，美国密歇根大学集成光电子实验室的MAO YE发表了一篇关于在可见光波段，区分线偏振态聚焦的超透镜。该超超透镜集线偏振计和聚焦镜两大功能于一身，该超透镜的加工技艺与当前CMOS工艺兼容，具有极大的应用价值。

—— ||| 背景介绍 ||| ——

随着光学超表面的发展，研究人员可以在纳米尺度上设计亚波长双折射单元。尽管线性偏振光可以看作是左旋和右旋圆偏振光的叠加，但使用Pancharatnam-Berry移相器设计针对线偏振态的超透镜效率不高，因为这些移位器仅在某些偏振下工作（及左旋或者右旋圆偏振光）。因此，针对线偏振态的传统光学超表面是基于改编的传播相位原理。通过合理的选择那些既满足设计偏振态的相位覆盖量和偏振敏感的基本相移单元，可以实现高性能设别线偏振聚焦的超透镜。

—— ||| 创新与结论 ||| ——

为了实现只在设计的线性偏振态的入射下形成聚焦，而在正交偏振态光波的入射时其聚焦效应被显着抑制，线性偏振识别焦点特征来自具有两种功能的各向异性亚波长移相器的特殊设计。 一种是通过三维各向异性移相器物理结构的合理设计，实现空间变化的偏振区分相位分布。 另一种是在其正交偏振态光的入射时，有选择性地产生散射损失。线性偏振识别超透镜是通过当前主流的CMOS加工技艺兼容的纳米工艺制作而成，并通过仿真和实验证明了其性能。该论文成功的设计出一种可见光线偏振识别的超透镜。

—— ||| 图文一览||| ——

图一 线偏振识别聚焦超透镜的结构图

（a） 传统的线偏振光入射时的相移单元结构。

（b） 具有线偏振识别的偏振敏感单元结构

（c） 偏振辨别超透镜的设计布局

小结：本文采用一种偏振敏感的单元结构，材料选用了新颖的富含硅的氮化硅材料(silicon rich silicon nitride，在单波长685nm，折射率n=2.74，损耗因子k-0)。同时，该论文在进行扫描仿真时保持单元结构的Sx与衬底的周期一致，对填充因子和周期进行扫描，方法独特。

图二 线性偏振识别移相器的相位图。

（a） Ez线偏振光入射时的相位图

（b） Hz线偏振光入射时的相位图

小结：

1. 从Fig.2可以看出，当用Ez偏振态入射时，在横坐标周期（periodic）0.3μm~0.45μm范围时，出现了相移变化的突变（由图中画白色标记看出），根据相位图中相位突变出，出现谐振，进而导致散射损耗。

1.   确定单元周期的上限为0.3μm.

2. 为了实现针对Ez偏振态聚焦，需要使Hz偏振态光入射时，相移变化量小于2π。对比Fig.2左右两幅图，  

1.   在周期为0.22μm~03μm的数据范围内找结构

3. 为了使Hz入射时，进一步减弱Hz光，可以使之附加散射损耗。从Fig.2的 两幅图可以发现左图可以看出，在周期为0.26μm~0.3μm范围的数据相位连续，说明无散射损耗，右图中在相应范围的数据有明显的相移不连续，说明有明显的散射损耗

1.   数据：周期为0.26μm~0.3μm

4. 由于加工技艺对深宽比的要求，衬底周期确定为0.28μm

图三 在Ez和Hz入射时透镜的横截面x=0处的场分布

(a) 在Ez光入射时的广场分布

(b) 在Hz光入射时的广场分布，透镜平面用红线标注。

(c) 当Ez光入射时，透镜平面内的光场分布

(d) 当Hz光入射时，透镜平面内的光场分布

小结：通过用FDTD（Omnisim, Photon Design Ltd.）进行3D仿真，可以发现在聚焦为2.5 μm处，对设计Ez偏振光有识别聚焦作用，对Hz偏振光有抑制聚焦作用，验证了本论文的原理和猜想。

图四 加工与性能测试图

（a） 镜片在中心区域（5×5μm）的SEM图像。 比例尺为1μm。

（b） 两种偏振入射的焦点轮廓特征描述

（c） Ez光入射时在焦平面的广场分布图

（d） Hz光入射时在焦平面的广场分布图

小结：本论文实验中加工出直径为40μm，在Ez光入射时，透射光场是入射光场的53倍，FWHM=0.9μm；Hz光入射时，透射光场的峰值强度是入射光场的7倍，FWHM和Ez光入射时大致相同。从图中可以发现，该论文制作的透镜具有明显的的线偏振识别聚焦能力。

—— ||| 点评||| ——

该论文作者设计，制造和表征具有线偏振识别聚焦的能力的超透镜透镜。这种独特的性能是通过各向异性移相器的新颖设计实现的，该移相器具有连续相移和设计偏振的2π相位覆盖以及对正交偏振的散射损耗的特点。 该研究是集成两种传统体光学元件（偏振片和波片）功能的超透镜的典型例子：线性偏振器和聚光透镜。该研究对偏振光显微镜，光通信，微光，纳米光学设备具有极大的作。同时。该论文启发我设计可见光宽谱偏振计时可以采用本文扫描和数据处理的方法来确定衬底周期，对于低对比度的材料，可以在材料或者单元结构进行突破。

—— ||| 笔者小记||| ——

通过我自己的仿真 扫描和数据处理方法，我发现通过相位突变来选结构与通过透过率图选高透过率的数据效果几乎一样，读者可以加以验证。

文献链接：Linear polarization distinguishing metalens in visible wavelength

Opt. Lett. 44, 399-402 (2019).

Mao Ye, Vishva Ray, Yueheng Peng, Wei Guo, and Ya Sha Yi

下载网址：https://www.osapublishing.org/ol/abstract.cfm?uri=ol-44-2-399

笔者简介：胡铁，华中科技大学，学术硕士，导师是杨振宇老师。目前研究方向：纳米光子学，可见光宽谱超透镜，介质偏振计