【摘 要】
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色散控制在诸多应用领域至关重要。基于传统色散调控方法的光学元件及系统具有体积大、笨重、衍射受限等问题。超表面能对光波的振幅、相位、偏振进行灵活调控,且具有体积小、重量轻、易于集成的特性。然而,现有超表面透镜存在群延迟范围小、超衍射聚焦带宽小以及色散能力不足等问题。因此,开展基于色散调控的超表面透镜研究具有重要的实用价值和科学意义。针对现有超表面群延迟范围较小,进而使得大数值孔径宽带消色差透镜设计需
【基金项目】
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国家自然科学基金（61927818,61875220）； 国家重点基础研究发展973计划（2013CBA01700）； 高校基础研究项目（10611CDJXZ238826）； 中国科学院创新计划（ZDBS-LY-JSC009）； 上海青年拔尖人才计
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色散控制在诸多应用领域至关重要。基于传统色散调控方法的光学元件及系统具有体积大、笨重、衍射受限等问题。超表面能对光波的振幅、相位、偏振进行灵活调控,且具有体积小、重量轻、易于集成的特性。然而,现有超表面透镜存在群延迟范围小、超衍射聚焦带宽小以及色散能力不足等问题。因此,开展基于色散调控的超表面透镜研究具有重要的实用价值和科学意义。针对现有超表面群延迟范围较小,进而使得大数值孔径宽带消色差透镜设计需要使用优化算法的问题,本文提出了一种高折射率双条形介质超原子,在波长范围1470～1590 nm内,超原子集的群延迟范围高达54.08 fs。在此基础之上,提出了一种无需优化算法的宽带消色差超表面透镜设计方法。针对设计波长λ0=1530nm,本文设计了一种数值孔径（NA）为0.81的近红外宽带消色差超表面透镜,半径为20.9λ0,焦距为15λ0。仿真结果表明:在设计带宽内,光斑焦距改变量小于0.27λ0,约为理论焦深（λ0/ΝΑ2）的0.17倍;光斑半高全宽小于0.68λ0,接近衍射极限（0.5λ0/NA）;光斑实际焦深小于2.85λ0。与已报导的宽带消色差超表面透镜相比,该透镜具有更大的数值孔径和更小的焦深。针对超衍射透镜仅仅工作在单个或多个离散波长,而宽带消色差超表面透镜衍射受限等问题,本文提出了一种基于色散调控和振幅调控的宽带消色差超衍射透镜设计方法。针对设计波长λ0=118.8μm（2.52 THz）,我们研制了一种THz宽带消色差超衍射透镜,半径为5.11 mm,焦距为40.39 mm,数值孔径为0.125,带宽为0.41 THz。仿真和实验结果表明:在频率范围2.29～2.70 THz内,该透镜实现了宽带消色差超衍射聚焦,透镜的焦距改变量小于3.7λ0,约为透镜实际焦深的0.04倍。针对传统透镜色散能力不足,本文提出了一种超色散透镜设计方法,并研制了一种色散类型为n=2的超色散透镜。针对设计波长λ0=118.8μm（2.52 THz）,透镜的半径为180λ0,焦距为330λ0,数值孔径为0.48,带宽为0.21 THz,色散关系常数C为155.73μm.rad.-2.ps2。仿真结果表明:在频率范围2.40～2.61 THz内,超色散透镜的焦距变化相对于设计焦距（f0=330λ0@λ0=118.8μm）达到16.4%,其色散能力约为传统衍射透镜（9.3%）的1.76倍;色散关系常数C为155.68μm.rad.-2.ps2。实验结果表明:在频率范围2.52～2.60 THz内,透镜焦距变化相对于设计焦距达到6.3%（-0.22%～6.08%）,色散关系常数C为151.65μm.rad.-2.ps2,表明所设计透镜实现了比传统衍射透镜（n=1）更强的色散。
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