Broadband achromatic optical metasurface devices

 原创作者：胡铁 纳米光子实验室 目前研究方向：介质偏振计

——||背景介绍||——

2017年8月4号，南京大学的Shuming Wang在nature communication 发表了《Broadband achromatic optical metasurface devices》。波长色散是光学材料的一个重要特征，它在光学元件和系统设计中起着重要作用，这种色差显著地降低了全光系统的性能。然而，为了解决上述问题，传统的色散控制方法增加了系统复杂度，且难于集成。Shuming Wang团对设计了一种基于金超表面的圆偏振宽谱消色差超透镜，从而完美解决上述色散问题。

——||创新点||——

该论文提出了一种由集成谐振单元阵列构成的金宽谱消色差超透镜（broadband achromatic metalens，BAML），利用平滑线性相位色散与几何相位相结合的方法，实现平面光学元件的宽带消色差设计。

——||理论公式||——

在相位之间最大相位补偿量，该参数决定超透镜的最大结构尺寸，即该数值越大，则超透镜的尺寸越大。

——||图文一览||——

图一：消色差超透镜原理图

（a） 色差超透镜（左）和消色差超透镜（右）的示意图。

（b） 在λ∈{λmin, λmax}范围内任一波长，BAML的理想相位分布。

小结：在色散超透镜的情况下，焦距随着入射波长的改变而改变，当被宽谱光源照射时，产生类似彩虹的焦线。对于具有优化相位补偿的消色差超透镜，焦点将成为单一点。其中 固定相位项可以由P-B相位实现， 和 可以通过合理选择满足相位平滑变化的耦合谐振集成单元的几何结构实现。由于P-B相位机制和传播相位机制有显著区别，两种相位调控机制能独立作用。

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图二：基于耦合谐振立方棒的相位分布

a，c，e RCP到LCP的偏振转换效率（红色曲线），相位分布（蓝色曲线）和（b，d，f）集成谐振单元元件的电场分布（颜色映射）。沿x和y轴具有550nm周期的每个单元元件由一个或多个具有固定厚度30nm的金纳米棒（metallic nano-rods ，MNR）组成。MNR位于SiO 2 / Au衬底上， SiO 2的厚度为60nm。灰色区域和黑色箭头分别表示BAML的工作带宽范围和谐振模式的位置

图三：聚焦消色差超透镜的理论验证

（a） NA=0.268（𝑓 = 150 μm）超透镜样品的光学图。。

（b） 波长为1500nm光源入射条件下的聚焦平面光强分布图

（c） 超透镜样品的放大SEM图

（d） 在纵平面实验测量（上）和数字仿真（下）光强分布图。

小结：理论与实验完美吻合，焦距几乎不随入射波长的改变而变化，表明在近红外波段实现了宽带消色差会聚功能。

单元结构参数

图四：宽谱消色差超透镜的光学性能验证

（a） 不同NA的BAML的实验测定与数值仿真焦距随波长的关系

（b） 不同NA的色差超透镜的实验测定与数值仿真焦距随波长的关系

（c） 实验测定的 FWHM随波长的关系

（d） 效率随波长的关系。效率被定义为相应焦平面上焦点的光强度与具有相同像素尺寸的金属镜面反射的光强度之比

NA=0.324（𝑓 = 65 μm）选取单元结构参数

NA=0.218选取单元结构参数

——||结论||——

该论文提出了一种工作于近红外波段的宽谱消色差超透镜设计。通过合理选择满足特定几何相位与相位补偿条件的集成谐振单元，能实现作为光学器件（如会聚超透镜和超表面反射器）中宽带消色差的功能。虽然该论文局限于近红外波段，但通过使用铝或全介质等材料，可以将所提出的消色差超表面器件的工作波长进一步推广至可见光波段。

文献链接：Wang S, Wu P C, Su V C, et al. Broadband achromatic optical metasurface devices[J]. Nature communications, 2017, 8(1): 187.

DOI：10.1038/s41467-017-00166-7