Broadband Achromatic Metalens in the Midinfrared Range
Hongping Zhou, Lei Chen, Fei Shen, Kai Guo, and Zhongyi Guo*
——||背景介绍||——
基于超透镜结构的中红外设备有很多的应用前景，如无线通信，成像和分子传感等方面。但是由于结构本身的限制，超透镜一般都有很大的色散，会导致成像质量下降等问题。所以研究能工作在中红外波段下的宽带消色差超透镜十分有必要。
——||创新点||——
本文基于介质超表面，提出了一种工作在中红外波段（3.7μm-4.5μm）针对圆偏光的消色差超透镜。同时设计了两种器件：一种消色差聚焦透镜、一个光束偏转器，利用仿真的方法验证了消色差原理的正确性。
——||基本原理||——
透镜聚焦要满足的相位公式：
针对普通的超透镜，因为每个结构引入的相移都是固定的，因此波长改变的时候，会导致焦距产生偏移。因此将相位公式分为两部分：
前面一部分是针对最大波长所需要的相位要求进行设计，这一部分通过旋转结构的角度产生几何相位来实现。后面一部分是特定波长与最大波长之间产生的相位差，这一部分通过改变结构的尺寸（使结构产生的相位与波长的倒数成正比关系）来实现。
——||图文一览||——
图一：宽谱消色差超透镜（BAML）的原理示意图
(a) 消色差超透镜的示意图；
(b) 消色差超透镜的相位需求；
小结：文中针对的消色差超透镜只针对圆偏光，这里以左旋光入射为例，会在聚焦平面检测右旋光（反之亦然）。
图二：超透镜单元结构的设计
(a) 超透镜单元结构的示意图以及各参数：h=4μm，p=1.8μm，其他参数变化； (b) 单元结构尺寸（L、W）变化时的有效折射率；
(c) 两种结构的左旋光到右旋光的转化效率： L=1.2μm，W=0.3μm（蓝线）；L=1.3μm，W=0.7μm（绿线）；
(d) 两种结构的相位分布： L=1.2μm，W=0.3μm（蓝线）；L=1.3μm，W=0.7μm（绿线）；
(e) 改变结构的旋转角，相位与频率之间的关系：L=1.2μm，W=0.3μm；
(f) y-z平面上的近场分布，I-VI指代不同波长；
(g) u-v平面(y-z截面相应的交叉截面)上的近场分布；
(h) c图中两实线之间绿色曲线效率峰值处的场分布。
小结：通过设计不同尺寸的单元结构来补偿相位，文中一共设计了14种结构，在图中选了两组（3、13）来分别测试它们的特性。这里提到了一个观点，将硅柱的高度选择与波长相近，会发生多重谐振，从而提高更大的补偿相位。图e则是证明了通过尺寸来补偿的相位与通过旋转产生的几何相位之间是独立的，从原理上验证了这种方法的正确性。
表一：14种单元结构的尺寸数据以及能够补偿的相位角度
图三：消色差超透镜和非消色差超透镜的仿真分析
(a) 不同波长下的消色差超透镜的仿真光强分布；
(b) 不同波长下的非消色差超透镜的仿真光强分布；
(c) 两种超透镜在不同波长下的聚焦距离，虚实线为27μm；
(d) 两种超透镜在不同波长下的半高全宽和聚焦效率；
小结：a图和b图对比，确实能够发现消色差超透镜在不同波长下能将光斑聚焦在同一个位置，但这个设计还是存在着聚焦效率不统一的问题，在波长为4.5μm时聚焦效率达到最大的20.7%。
图四：宽带消色差偏转超表面
(a) 超表面要实现宽带偏转功能时需要满足的相位分布；
(b) 三种超表面在不同波长光入射情况下的偏转角度：黑色为普通的非消色差超表面；红色的为设计偏转角度为18.2度的消色差超表面；蓝色为设计偏转角度为28度的消色差超表面；
(c) 不同波长下的电场分布：上面一行为b图中的红色结构，下面一行为b图中的黑色结构；
(d) 不同波长下的偏转角度探测；
小结：这个实验是为了更进一步验证消色差设计原理的正确性。
——||特殊公式||——
透镜的焦距变化与波长变化之间的关系。
——||结论||——
作者提出了一种基于超表面的宽带消色差设计方法，设计出了一种一种消色差聚焦透镜、一个光束偏转器，都能分别工作在3.7μm-4.5μm波段，并且具有良好的消色差性能。这代表能够将超透镜以及超表面结构在中红外波段中的应用进行更进一步的扩展。
文献链接：Physical Review Applied 11, 024066 (2019)
DOI: 10.1103/PhysRevApplied.11.024066 https://crossmark.crossref.org/dialog/?doi=10.1103/PhysRevApplied.11.024066&domain=pdf&date_stamp=2019-02-26
报告人：汪肇坤
