一种跨波段多功能超表面及其设计方法

本发明涉及微纳光学与超表面，具体涉及一种跨波段多功能超表面及其设计方法。

背景技术：

1、不同波长的光在同一介质中的折射率不同，会产生色散现象，导致不同波长的光聚焦到不同的位置。传统透镜通过表面曲率和透镜厚度的变化实现出射光的调控，利用传统透镜消除色差需要多组透镜的精准组合来实现，故光学系统的体积会变得臃肿，同时使得生产复杂。2011年capasso教授提出了广义斯涅尔定律，为超表面的发展奠定了基础。超表面通过周期性排列的人工单元结构实现对入射电磁波振幅、偏振和相位的调控，为未来智能产品的小型化提供了新的途径。尽管超表面进展迅速，该领域仍面临一些挑战，如消色差波段范围、超表面尺寸与高数值孔径之间的权衡设计，微纳加工技术精度与超表面结构复杂程度之间的考量。

2、对于离散波长的消色差超表面设计，目前主要存在两种技术方案：单层超表面的区域划分与多层超表面的级联设计。

3、单层超表面的区域划分方法将超表面划分为两个区域，均采用相同周期，并基于几何相位调制，使两个波长的光聚焦于同一焦平面，实现双波长消色差。该方法结构简单，但每个波长仅利用了超表面的部分孔径，能量效率较低；并且功能固化，设计完成后仅能实现消色差聚焦，无法根据需求切换其他光学功能。

4、多层超表面的级联设计方案采用两层或更多层超表面堆叠，各层独立设计，通过相位叠加实现更大的色散补偿范围。该方案能够实现更高数值孔径的消色差聚焦，但需要多层之间的纳米级精确对准，制造工艺复杂、成本高，且对层间厚度和平行度敏感。

5、综上所述，现有技术存在以下问题：传统消色差透镜体积大、成本高；单超层表面区域划分虽然结构相对简单，但每个波长仅利用部分孔径，能量效率低，且功能固化；多层超表面级联方法制造复杂、对准困难。因此，亟需一种能够在单层结构中实现跨波段、高效率、多功能可切换的消色差超表面。

技术实现思路

1、为此，本发明要解决的技术问题包括：利用单层超表面实现高数值孔径的可见光-近红外双波长消色差，以克服传统消色差透镜体积大、多层超表面制造复杂的缺陷；通过偏振控制在实现消色差的同时实现多功能设计，以解决现有消色差超表面功能单一、无法动态切换的问题；简化单元结构设计，减少单元结构优化的计算量，以提高设计效率。

2、为解决上述技术问题，第一方面，本发明提供了一种跨波段多功能超表面的设计方法，该方法包括：s1、确定目标光学功能以及至少两种目标波长；s2、根据目标光学功能，计算至少两种目标波长在不同圆偏振态下对应的相位函数；针对目标波长及其相位函数，分别对应优化单元结构的参数；s3、构建具有波长选择性的空间掩模：将衬底划分成在空间上交替排布的至少两种子区块，其中，至少两种子区块内分别对应排布有单元结构，至少两种子区块配置为对具有不同波长和不同圆偏振态的入射光施加不同的相位分布，并使不同波长的透射光聚焦于同一焦平面，以实现共焦多通道调控；s4：根据子区块的布局和单元结构的参数，生成跨波段多功能超表面。

3、在本发明的一个实施例中，步骤s3中将超表面配置为：在不同波长和不同圆偏振态的入射光入射时，分别呈现选自明场成像、全息显示、涡旋光束产生、边缘检测中的至少一种光学功能。

4、在本发明的一个实施例中，步骤s1中的至少两种目标波长包括第一目标波长和第二目标波长，步骤s3中的至少两种子区块包括第一子区块和第二子区块，第一子区块内排布有第一单元结构，第二子区块内排布有第二单元结构，第一子区块内的第一单元结构匹配第一目标波长，第二子区块内的第二单元结构匹配第二目标波长。

5、在本发明的一个实施例中，将第一子区块内第一单元结构排布的周期与第二子区块内第二单元结构排布的周期设置为2倍关系。

6、在本发明的一个实施例中，步骤s3将第一波长下不同圆偏振态对应的相位函数通过自旋解耦编码到第一子区块中，将第二波长下不同圆偏振态对应的相位函数通过自旋解耦编码到第二子区块中，然后将第一子区块和第二子区块形成的相位剖面复合，得到最终的相位轮廓，以使子区块配置为对具有不同波长和不同圆偏振态的入射光施加不同的相位分布，以获得具有共焦多通道调控的超表面。

7、在本发明的一个实施例中，步骤s2中单元结构的参数的优化至少满足以下关系：

8、

9、该关系满足奈奎斯特准则，其中，na为超表面的数值孔径，pj为单元结构的周期，h为单元结构的高度，gj为倒易晶格矢量，为有效介电常数，为给定波长，为同偏振透射率，为交叉偏振透射率。

10、在本发明的一个实施例中，步骤s2中，对于第一目标波长和第二目标波长，在不同圆偏振态，超表面分别产生的相位函数表示为：

11、

12、其中，，和是波长和在两个正交自旋态下对应的理想相位掩膜。

13、第二方面，本发明的一种跨波段多功能超表面，采用上述设计方法制造而成，包括衬底，以及设置于衬底上的多个单元结构；多个单元结构划分成在空间上交替排布的至少两种子区块，其中，不同子区块内的单元结构具有分别匹配不同波长的周期，至少两种子区块配置为对具有不同波长和不同圆偏振态的入射光施加不同的相位分布，并使不同波长的透射光聚焦于同一焦平面。

14、在本发明的一个实施例中，至少两种子区块呈棋盘状在空间上交替排布，单元结构为各向异性纳米单元结构，在衬底的每个空间位置上独立设置有一个单元结构。

15、在本发明的一个实施例中，单元结构的材料为与不同波长相匹配的高透射率的高介电材料。

16、本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下有益效果：

17、1、实现了跨波段双波长消色差且聚焦性能接近衍射极限：本发明提出了一种二倍周期的单元结构设计，通过设置不同子区块的周期匹配不同波长，使得各子区块对其目标波长具有高透射率，而对非目标波长具有低透射率，从而实现了波长选择性消色差。

18、2、提出了一种具有波长选择性的棋盘式空间掩模：本发明提出了一种新颖的棋盘式空间掩模，将两种不同周期的子区块在空间上交替排布，该空间掩模具有波长选择性，能够有效分离不同波长的光场通道，同时抑制波长间的串扰，且子区块的尺寸大小可以根据设计需求任意设置，设计灵活性高。

19、3、通过棋盘式空间掩模与偏振协同控制实现了多功能切换：本发明利用几何相位的自旋依赖性，通过设计各子区块内纳米柱的面内旋转角，结合棋盘式空间掩模，使同一超表面对不同波长和不同圆偏振态的入射光产生完全不同的相位响应。因此，通过简单切换入射光的波长和圆偏振态，即可使超表面在不同的光学功能之间自由切换，例如明场成像、全息显示、涡旋光束产生、边缘检测等。这一特性克服了现有消色差超表面功能单一、无法动态调整的缺陷。

1.一种跨波段多功能超表面的设计方法，其特征在于，所述方法包括：

2.根据权利要求1所述的跨波段多功能超表面的设计方法，其特征在于，步骤s3中将所述超表面配置为：在不同波长和不同圆偏振态的入射光入射时，分别呈现选自明场成像、全息显示、涡旋光束产生、边缘检测中的至少一种光学功能。

3.根据权利要求1所述的跨波段多功能超表面的设计方法，其特征在于，步骤s1中的至少两种目标波长包括第一目标波长和第二目标波长，步骤s3中的至少两种子区块包括第一子区块和第二子区块，所述第一子区块内排布有第一单元结构，所述第二子区块内排布有第二单元结构，所述第一子区块内的第一单元结构匹配第一目标波长，所述第二子区块内的第二单元结构匹配第二目标波长。

4.根据权利要求3所述的跨波段多功能超表面的设计方法，其特征在于，将所述第一子区块内第一单元结构排布的周期与所述第二子区块内第二单元结构排布的周期设置为2倍关系。

5.根据权利要求3所述的跨波段多功能超表面的设计方法，其特征在于，所述步骤s3将第一波长下不同圆偏振态对应的相位函数通过自旋解耦编码到第一子区块中，将第二波长下不同圆偏振态对应的相位函数通过自旋解耦编码到第二子区块中，然后将第一子区块和第二子区块形成的相位剖面复合，得到最终的相位轮廓，以使所述子区块配置为对具有不同波长和不同圆偏振态的入射光施加不同的相位分布，以获得具有共焦多通道调控的超表面。

6.根据权利要求1所述的跨波段多功能超表面的设计方法，其特征在于，步骤s2中单元结构的参数的优化至少满足以下关系：

7.根据权利要求1所述的跨波段多功能超表面的设计方法，其特征在于，步骤s2中，对于第一目标波长和第二目标波长，在不同圆偏振态，超表面分别产生的相位函数表示为：

8.一种跨波段多功能超表面，采用权利要求1-7中的任一项所述的设计方法制造而成,其特征在于，包括：

9.根据权利要求8所述的跨波段多功能超表面，其特征在于，所述至少两种子区块呈棋盘状在空间上交替排布，所述单元结构为各向异性纳米单元结构，在衬底的每个空间位置上独立设置有一个单元结构。

10.根据权利要求8所述的跨波段多功能超表面，其特征在于，所述单元结构的材料为与所述不同波长相匹配的高透射率的高介电材料。