由双层超表面构造的近无旁瓣光学亚波长非对称聚焦透镜

供稿|课题组供稿

导读

近日，湖南大学和湘潭大学的科研人员合作提出了一种由双层超表面构造的近无旁瓣光学亚波长非对称聚焦透镜，该透镜可同时实现光非对称传输及近无旁瓣亚波长聚焦效应。该工作从超表面所实现的光束偏转和表面波出发，利用两者简单结合即可实现光非对称传输。然后，进一步将两个超表面的相位延迟相互关联，构造了非对称聚焦透镜，可同时实现光非对称传输及聚焦。最后，优化非对称聚焦透镜的物理模型，有效降低了非对称聚焦的旁瓣强度，实现了近无旁瓣光学亚波长非对称聚焦。该透镜在光学微纳加工、光学微操控、生物医学检测及量子通讯等领域具有广泛应用潜力。相关成果以“Near-zero-sidelobe optical subwavelength asymmetric focusing lens with dual-layer metasurfaces”为题于2020年6月10日在线发表于德国《物理年鉴》（《Annalen der Physik》）（创刊于1790年，世界上最著名的物理学期刊之一）。湖南大学博士生谢建斓和湘潭大学硕士生梁胜男为论文的共同第一作者，湖南大学的刘建军副教授和湘潭大学的唐平华副教授为论文的通讯作者，湖南大学为第一单位。

研究背景

人工微结构材料以其新颖的光学性质及灵活的可调控性为光非对称传输的实现创造了条件。其中，由于超表面对相位波前的操控作用远大于传统人工微结构材料的传播相位累积作用，可在亚波长厚度内调控相位波前。因此，超表面成为实现光非对称传输的理想选择。然而，现有光非对称传输超表面只能实现光非对称传输，无法同时实现光非对称传输及聚焦。同时实现光的多种调控，在光学微纳加工、光学微操控、生物医学检测及量子通讯等领域比单一的光非对称传输具有更大的应用潜力。虽研究人员已在声学领域利用双层超表面构造了声非对称聚焦透镜，但其聚焦旁瓣强度过大，超过了聚焦焦点强度峰值的一半，无法广泛应用于声学微加工、微操控及超声成像等对聚焦质量要求较高的领域。

创新研究

首先，基于广义斯奈尔定律利用阻抗匹配材料设计双层超表面实现了光非对称传输。然后，为使光非对称传输转变为光非对称聚焦（也即拓展双层超表面的应用），将两个超表面的相位延迟相互关联，构造了非对称聚焦透镜。光波从左侧直入射时可在透镜右侧聚焦，而光波从右侧直入射时则转换为表面波，无法到达透镜左侧。最后，针对光波从左侧直入射时在右侧超表面中间区域的光线不能参与聚焦导致非对称聚焦旁瓣强度过大的问题，进一步优化非对称聚焦透镜的物理模型，有效降低了旁瓣强度，实现了近无旁瓣亚波长非对称聚焦。优化后的非对称聚焦透镜，其近无旁瓣亚波长非对称聚焦效果在宽带范围有效。

图文速览

图1 (a)(d)超表面单元结构；(b)(e)光波在超表面不同单元中的场强分布；(c)(f)利用超表面实现的光束偏转及表面波。

图2 双层超表面实现非对称传输的原理示意图：(a) 光波从左侧直入射可到达右侧；(b) 光波从右侧直入射无法到达左侧；超表面相位延迟分布：(c) MS₁；(d) MS₂；非对称传输：(e) 光波从左侧直入射的场分布；(f) 光波从右侧直入射的场分布。

图3 非对称聚焦透镜实现非对称聚焦的原理示意图：(a) 光波从左侧直入射实现聚焦；(b) 光波从右侧直入射无法到达左侧。

图4 光波从左侧直入射非对称聚焦透镜的传播路线示意图。

图5 非对称聚焦透镜中MS₁的相位延迟及非对称聚焦示意图：(a) MS₁的相位延迟分布；(b) 光波从左侧直入射的场分布；(c) 焦点位置焦平面强度曲线；(d) 光波从右侧直入射的场分布。

图6 非对称聚焦透镜物理模型的逐步优化，光波从左侧直入射的传播路线示意图：(a) MS₁相位延迟连续变化但折射角与图3结构的折射角方向相反而MS₂结构与图3中MS₂结构一致；(b) MS₁相位延迟周期变化而MS₂相位延迟梯度变化。

图7 优化后的非对称聚焦透镜（即图6(b)）的双层超表面的相位延迟分布及其近无旁瓣非对称聚焦场分布：(a) MS₁的相位延迟分布；(b) MS₂的相位延迟分布；(c) 光波从左侧直入射的场分布，插入图为焦点位置处焦平面强度曲线；(d) 光波从右侧直入射的场分布。

图8 优化后的非对称聚焦透镜（即图6(b)）实现近无旁瓣非对称聚焦的频率范围及不同频率近无旁瓣非对称聚焦场分布：(a) 不同频率平面波分别从左侧、右侧直入射的透过率；(b) 不同频率平面波从左侧直入射实现聚焦的半高全宽及聚焦效率；不同频率近无旁瓣非对称聚焦场分布：(c)(d) 59.7 THz；(e)(f) 62.2 THz; (g)(h) 64.7THz。

总 结

该工作提出了一种双层超表面非对称聚焦透镜，同时实现了光非对称传输及聚焦。针对光波从左侧直入射时在右侧超表面中间区域的光线不能参与聚焦导致非对称聚焦旁瓣强度过大的问题，进一步优化了物理模型，实现了近无旁瓣光学亚波长非对称聚焦。优化后的非对称聚焦透镜，其近无旁瓣非对称聚焦效果在宽带范围有效，在光学微纳加工、光学微操控、生物医学检测及量子通讯等领域具有广泛应用潜力。该工作得到了国家自然科学基金和湖南省自然科学基金的支持。

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 文章链接

J. Xie, S. Liang, J. Liu*, P. Tang*, and S. Wen, “Near-zero-sidelobe optical subwavelength asymmetric focusing lens with dual-layer metasurfaces,” Annalen der Physik, 2000035 (2020).

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/andp.202000035

DOI: 10.1002/andp.202000035

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