第50卷第1期 Vol.50No.l红外与激光工程Infrared and Laser Engineering2021年1月Jan. 2021超表面透镜的宽带消色差成像（特邀）莫昊燃1’2,纪子韬\郑义栋\梁文耀\虞华康\李志远1(1.华南理工大学物理与光电学院，广东广州510641;2.广东晶启激光科技有限公司，广东东莞523808)摘要：超透镜是一种由二维亚波长阵列结构表面所设计的透镜，其对光场中振幅、相位和偏振的调控能力较灵活，同时具有低损耗、易集成、超轻薄等优点，近些年引起了科研人员广泛的研究兴趣。
然而在大多数情况下，针对特定波长设计的超透镜会遭受较大的色差，从而限制了其在多波长或宽带应 用中的成像作用。
超透镜因其二维平面结构引入了新的自由度，在对色差的消除上体现了新的潜力。
文中报道了多种不同的消色差超透镜设计及其消色差调控机理，并对现有的消色差超透镜从调制波段 类型进行了分类，如对离散波长的和对连续波长的消色差超表面透镜，后者又可从工作模式上分类为透射型和反射型，最后介绍了超透镜阵列在成像上的应用以及其在大景深宽带消色差器件上的前景。
关键词：超表面；超透镜；消色差聚焦透镜中图分类号：0436 文献标志码：A DOI：10.3788/IRLA20211005Broadband achromatic imaging with metalens {Invited)Mo Haoran1’2,Ji Zitao1，Zheng Yidong1，Liang Wenyao1，Yu Huakang1，Li Zhiyuan1(1. School of Physics and Optoelectronics, South China University of Technology, Guangzhou 510641, China;2. Guangdong Full-spectra Laser Technology Co., Ltd, Dongguan 523808, China)Abstract:Metalens,the specific type of lens designed with the surfaces mading of two dimensional array at the subwavelength scale,has shown great flexibilities to control the light field,including the arbitrary modulation abilities of amplitude,phase and polarization at the subwavelength scale.Moreover,the metalens possesses the unique advantages of low loss,integratable and conformable design and ultrathin,therefore attracts immense attentions in recent years.However,in most cases,the metalens designed for a specific wavelength may penetrate through the large chromatic aberration,which limits their usefulness in multi-wavelength or broadband applications.On the other hand,the metalens has renewed new degrees of freedom due to its two-dimensional planar structure,which has the potential in the elimination of chromatic aberration.Some different typical achromatic metalens designs and their achromatic modulation mechanism were reviewed,the existing achromatic metalens were classified from the types of modulated light bands,such as the achromatic matelens for discrete and continuous wavelength respectively,and the latter can be classified as transmissive and reflective from the working mode.Finally,the application of metalenses array in imaging and their prospect of broadband achromatic devices of large depth of field were introduced.Key words:metasurfaces;metalens;achromatic focusing lens收稿日期:2020-11 -14;修订日期:2020-12-29基金项目:国家重点研发计划（2018YFA0306200);国家自然科学基金（11974119, 12074127, 11504114);广州市科技计划项目(201904010105);中央高校基本科研业务费专项资金(2019ZZ50);华南理工大学教研教改项目（x2wl-Yl 190281)20211005-1第1期红外与激光工程第50卷0引言透镜是光学应用的基本元件，在数码相机、激 光、光学传感、安防、车载等各个领域都有着广泛的 应用。
1/4波片quarter-wave plateCG矢量耦合系数Clebsch-Gordan vector coupling coefficient; 简称“CG[矢耦]系数”。
X射线摄谱仪X-ray spectrographX射线衍射X-ray diffractionX射线衍射仪X-ray diffractometer[玻耳兹曼]H定理[Boltzmann] H-theorem[玻耳兹曼]H函数[Boltzmann] H-function[彻]体力body force[冲]击波shock wave[冲]击波前shock front[狄拉克]δ函数[Dirac] δ-function[第二类]拉格朗日方程Lagrange equation[电]极化强度[electric] polarization[反射]镜mirror[光]谱线spectral line[光]谱仪spectrometer[光]照度illuminance[光学]测角计[optical] goniometer[核]同质异能素[nuclear] isomer[化学]平衡常量[chemical] equilibrium constant[基]元电荷elementary charge[激光]散斑speckle[吉布斯]相律[Gibbs] phase rule[可]变形体deformable body[克劳修斯-]克拉珀龙方程[Clausius-] Clapeyron equation[量子]态[quantum] state[麦克斯韦-]玻耳兹曼分布[Maxwell-]Boltzmann distribution[麦克斯韦-]玻耳兹曼统计法[Maxwell-]Boltzmann statistics[普适]气体常量[universal] gas constant[气]泡室bubble chamber[热]对流[heat] convection[热力学]过程[thermodynamic] process[热力学]力[thermodynamic] force[热力学]流[thermodynamic] flux[热力学]循环[thermodynamic] cycle[事件]间隔interval of events[微观粒子]全同性原理identity principle [of microparticles][物]态参量state parameter, state property[相]互作用interaction[相]互作用绘景interaction picture[相]互作用能interaction energy[旋光]糖量计saccharimeter[指]北极north pole, N pole[指]南极south pole, S pole[主]光轴[principal] optical axis[转动]瞬心instantaneous centre [of rotation][转动]瞬轴instantaneous axis [of rotation]t 分布student's t distributiont 检验student's t testＫ俘获K-captureＳ矩阵S-matrixＷＫＢ近似WKB approximationＸ射线X-rayΓ空间Γ-spaceα粒子α-particleα射线α-rayα衰变α-decayβ射线β-rayβ衰变β-decayγ矩阵γ-matrixγ射线γ-rayγ衰变γ-decayλ相变λ-transitionμ空间μ-spaceχ 分布chi square distributionχ 检验chi square test阿贝不变量Abbe invariant阿贝成象原理Abbe principle of image formation阿贝折射计Abbe refractometer阿贝正弦条件Abbe sine condition阿伏伽德罗常量Avogadro constant阿伏伽德罗定律Avogadro law阿基米德原理Archimedes principle阿特伍德机Atwood machine艾里斑Airy disk爱因斯坦-斯莫卢霍夫斯基理论Einstein-Smoluchowski theory 爱因斯坦场方程Einstein field equation爱因斯坦等效原理Einstein equivalence principle爱因斯坦关系Einstein relation爱因斯坦求和约定Einstein summation convention爱因斯坦同步Einstein synchronization爱因斯坦系数Einstein coefficient安[培]匝数ampere-turns安培[分子电流]假说Ampere hypothesis安培定律Ampere law安培环路定理Ampere circuital theorem安培计ammeter安培力Ampere force安培天平Ampere balance昂萨格倒易关系Onsager reciprocal relation凹面光栅concave grating凹面镜concave mirror凹透镜concave lens奥温电桥Owen bridge巴比涅补偿器Babinet compensator巴耳末系Balmer series白光white light摆pendulum板极plate伴线satellite line半波片halfwave plate半波损失half-wave loss半波天线half-wave antenna半导体semiconductor半导体激光器semiconductor laser半衰期half life period半透[明]膜semi-transparent film半影penumbra半周期带half-period zone傍轴近似paraxial approximation傍轴区paraxial region傍轴条件paraxial condition薄膜干涉film interference薄膜光学film optics薄透镜thin lens保守力conservative force保守系conservative system饱和saturation饱和磁化强度saturation magnetization本底background本体瞬心迹polhode本影umbra本征函数eigenfunction本征频率eigenfrequency本征矢[量] eigenvector本征振荡eigen oscillation本征振动eigenvibration本征值eigenvalue本征值方程eigenvalue equation比长仪comparator比荷specific charge; 又称“荷质比(charge-mass ratio)”。
0引言超材料,一种新型的三维周期性人工电磁材料,通常由金属/介质或全介质构成,在微波、太赫兹波段,由于其比拟波长的单元结构与电磁波的电场或磁场的共振效应,这种操控电磁波的特殊能力在过去十年中得到了广泛的研究,如完美吸收器[1-3]、隐身[4-6]、散射减少[7]等。
然而,在微纳米尺度下,超材料的应用由于高损耗和三维制造的困难受到阻碍和限制。
超表面是具有亚波长厚度的二维平面超材料,与三维超材料相比,超表面具有物理尺寸更小、易制造、损耗更低等优势,因此,在很多应用领域下,超表面可以代替更大体积的三维超材料结构。
近些年,超表面巨大的应用潜力受到全世界研究人员的关注,包括偏振转换器[8-9]、平面透镜[10]、涡旋相位板[11]、数字编码超表面[12]和全息成像[13]等。
电磁波波前的可调性在于其相位的调控,根据费马原理,电磁波的跃迁是相位沿传播路径的积累效应。
因此,用于控制波前的传统光学元件需要空间变化的折射率或其整体几何形状的改变来实现相位积累。
然而,由于自然材料的介电常数有限性,通常采用弯曲表面来实现(由于其体积大、重量大、设计过程复杂),这已经成为太赫兹梯度超表面综述寇伟1,陈婷1,杨梓强1,梁士雄2(1.电子科技大学电子科学与工程学院,四川成都610054;2.中国电子科技集团公司第十三研究所专用集成电路重点实验室,河北石家庄050051)摘要:超表面,一种新颖的人工电磁材料,由于厚度可忽略不计,也称二维超材料。
由于电磁波的电场或磁场与超表面亚波长单元结构的共振效应使其相位或幅度发生突变,从而经过超表面后出射波矢量场的叠加实现了对电磁波传播特性的调控。
与三维超材料相比,超表面拥有损耗低、厚度薄、易于集成等优点,其巨大的应用潜力受到全世界研究人员的关注。
太赫兹超表面器件在平面超透镜、涡旋光束、数字编码超表面、全息成像等显示了巨大的潜力和优势。
从基本定律出发,总结了几种重要的超表面器件的调控原理和应用领域,并对未来超表面器件的实用价值和前进方向进行展望。
Vol. 40, No. 1Jaoua —,2022第46卷第-期2022年-月激 光 技 术LASERTECHNOLOGY文章编号：1000 3 86(2022)0-/085 /9基于几何相位超表面的Inca-Gaussian 矢量涡旋光场聚焦张雪妍1,郁步昭1,王吉明-**,吴彤4 ,赫崇君2 ,刘友文1,路元刚2基金项目：国家自然科学基金资助项目(61875086)；上海 市全固态激光器与应用技术重点实验室开放基金资助项目 (ADL921600-)；南京航空航天大学空间光电探测与感知工业与信息化部重点实验室开放基金资助项目(NJ222002-9)作者简介:张雪妍5996/,女，硕士研究生，现主要从事 矢量光场和超表面方面的研究。
* 通讯联系人。
E-ma0 ： jimingw@ puaa. edo. co收稿日期：20200020；收到修改稿日期:222--48-48(0南京航空航天大学理学院，南京211106；2.南京航空航天大学空间光电探测与感知工业和信息化部重点实验室，南京21001)摘要：为了实现电介质超表面的聚焦功能和对光场相位的调控，采用几何相位调制原理设计微元结构及空间分布，以SNO 为基底、亚波长TkO 椭圆柱的六边形晶胞为基本结构，设计了一种相位突变呈拋物线梯度分布的聚焦超表面，适用于480nm ~580nm 波段。
基于此结构进行了理论分析和实验验证，发现该结构对线偏振光聚焦,其归一化后的半峰全宽约为428nm,而对矢量光聚焦约为258nm,获得了更出色的聚焦效果。
研究了 3阶和4阶Ince-Gaussiao 矢量光场通过 该超表面后的聚焦特性，得到了聚焦场能保持入射矢量光场的基本空间结构，但中心结构信息会有损失的结果，即Ince- Gaosoao 矢量涡旋光场由于涡旋相位的存在，聚焦后会呈现破缺的空间结构。
结果表明，超表面结构和入射光场矢量结 构之间的匹配程度是影响聚焦特性的重要因素。
