CN109270606B - 一种基于介质和石墨烯构造动态多焦点超透镜的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于介质和石墨烯构造动态多焦点超透镜的方法。本发明步骤：(1)在0.7um～500um红外波长范围内，对不同波长入射光根据焦点与波长的位置关系，计算介质超表面上相位梯度分布；(2)对每种中心波长设计不同周期性结构,结合相位梯度分布和Pancharatnam‑Berry相位确定具体相位值；(3)设计确定高度的柱状结构作为介质超表面的基本单元,再设计相应具体实现结构和旋向；(4)在基底部分运用多层石墨烯来构成反射型聚焦透镜，并且通过改变石墨烯的费米能级来动态调节聚焦点的位置。本发明通过介质超表面和多层石墨烯结构实现动态多焦点反射透镜的效果，且具有高效率的聚焦功能和超宽带、动态可调、易于集成等优点。

Description

一种基于介质和石墨烯构造动态多焦点超透镜的方法

(一)技术领域

本发明涉及的是一种基于介质和石墨烯构造动态多焦点超透镜的方法，属于几何光学和微纳光学领域。

(二)背景技术

超表面作为一种排列在二维表面上的亚波长结构，由于能局部地改变入射光束的振幅、偏振和相位的特殊功能，得到快速发展。由此基于超表面设计的透镜也引起了人们的广泛关注，与传统透镜不同，此超表面光学透镜基于光学纳米材料，因此相对较轻。当超表面的亚波长纳米结构形成特定的重复模式时，它们能模拟折射光线的复杂曲率，但没有那么笨重，并且在减少畸变的情况下聚焦光线的能力得以改善。不过，大多数这样的纳米结构设备是静态的，因此限制了它们的功能性。在对透镜研究的基础之上，本发明利用多层石墨烯基底提出了一种在透镜原理之上的一种动态多焦点反射透镜。

通过对超表面结构的设计计算，在此我们利用时兴的超表面技术设计出基于多层石墨烯的多焦点动态可调的介质反射超透镜，其克服了传统光学元器件的缺点，具有超薄超轻、二维平面、结构简单、功能广泛并且在聚焦时可以控制所有入射能量的优点，更好地提高了空间分辨率且厚度达到微米量级。其具有的多焦点动态聚焦功能在集成光学系统中具有非常广泛的应用前景。并且此微纳反射透镜克服了在结构设计完成则焦点固定的弊端，通过调节石墨烯基底的费米能级能够动态的调节聚焦位置大大提高了反射聚焦透镜的实用性。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单紧凑、易于集成、实用性强的基于介质和多层石墨烯构造动态多焦点反射超透镜的方法。

本发明的目的是这样实现的：

步骤(1).在0.7um～500um的红外波长工作带宽内，首先根据超表面对光波的特殊调控，在不同波长下以需要的周期设计响应不同波长入射光的旋转振子的周期性超表面结构；

步骤(2).对于每种中心波长,根据所需要的焦点和纳米单元结构调控相位机理与不同波长下的不同聚焦要求公式和透镜等光程原理，计算介质超表面上的相位梯度分布；

步骤(3).设计确定高度的柱状结构作为介质超表面的基本单元,将得到的相位梯度分布结合介质超表面的周期性结构,根据每个基本单元的相位要求和Pancharatnam-Berry相位，调节每个单元结构的空间旋转角度以得到所需相位分布；

步骤(4).应用多层石墨烯作为基底对入射光进行高反射率的反射并通过改变石墨烯的费米能级为反射光提供所需的附加相位，实现对反射光相位的动态调节，在不改变超表面结构的情况下来动态的改变焦点的聚焦位置；

通过合理的设计单元结构的参数，超表面上的每一个柱状结构都相当于一个半波相移器，它能够将大部分的入射圆偏振光转化为它的正交偏振态。左旋圆偏振入射电磁波在与各向异性超构表面结构相互作用后，它的反射正交偏振态电磁波携带了包含了没有相移的原始自旋相位和具有诱导相移的转换相位部分(称为Pancharatnam-Berry相位)，这种额外的相位为±2θ，其中θ是超表面结构的方位角。同时多层石墨烯基底也对反射光产生附加相位，实现对原结构反射相位的进一步调谐。

所述步骤(2)中透镜的等光程原理，对于任意焦点F(x₁,y₁,z₁),超表面相位应满足：

就是超表面应满足的相位，其中，x,y是超表面上的坐标点，λ是入射光波长。其中，“±”表示入射光的旋向。由(1)式可知，所要求的旋转角的正负依赖于入射光的旋向。确定每一个不同位置的相位

就确定了整个多焦点透镜上的相位分布。另外，在超表面结构设计确定之后，通过改变多层石墨烯基底的费米能级从而可以对反射光提供附加相位来动态的调控此多焦点反射透镜的聚焦位置。

本发明中使得平面光束在通过超表面后能够聚焦非常重要的一点就是反射相位能够地包含0-2π的平稳改变。而相位分布是由超表面基本单元结构的旋转角度控制的，所以能否聚焦的关键就是对单元结构的旋转角度的分析。

优选地，所述的一种基于介质和石墨烯构造动态多焦点超透镜的方法，其特征在于所选取的光波的波长范围在红外波长范围内，根据石墨烯的光学特性在此波段内，石墨烯的表面电导率受化学势的影响比较大，化学势增加时，表面电导率大幅增加，这为电磁波的反射提供较大的反射率。

优选地，所述的一种基于介质和石墨烯构造动态多焦点超透镜的方法，其特征在于所述的选取的柱状结构的材料特征为：在工作波段介电常数高且损耗低包括氮化硅、磷化嫁、二氧化钛、硅等。

优选地，所述的一种基于介质和石墨烯构造动态多焦点超透镜的方法，其特征在于所述的步骤(3)中所述的柱状结构包括四边柱状、三角柱状、六边柱状和圆柱状、椭圆柱状等。

有益效果在于：本发明充分利用了所设计的超表面结构在不同波段下不同响应和基底多层石墨烯的高反射率的相位补偿特性，使得在超表面高透射率高转化率的情况下，在光线到达基底时可以将光线以高反射率反射出去，克服了以往反射型聚焦透镜使用金属材料作基底所产生的能量损耗问题，大大提高了光波的转化率和聚焦效率，通过调节石墨烯的费米能级可动态的调节焦点的聚焦位置，从而形成了高反射率的、宽频带的、焦点可调的多焦点反射型透镜，此焦距可调的多焦点透镜可用于多个物体的距离测量，通过多层石墨烯不同费米能级下在不同的焦距可成清晰的像，达到了动态测距的目的。

(四)附图说明

图1为左旋圆偏振光(LCP)入射到多焦点反射透镜上之后反射的右旋圆偏振光(RCP)示意图。

图2为左旋圆极化光线入射后经过所设计反射透镜后在入射同侧形成的多焦点的示意图。

图3为多焦点反射透镜上的响应不同波长，对应不同焦点的不同结构阵列平面示意图，w、l、h分别表示三种结构的宽、长、高。

图4为在红外波长下石墨烯不同费米能级下的仿真焦距值。

图5为运用仿真软件对整体结构进行仿真之后形成的多焦点二维与三维仿真示意图。

(五)具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的说明。

一种基于介质和石墨烯构造动态多焦点超透镜的方法，具体包括以下步骤：

步骤(1).在0.7um～500um的红外波长工作带宽内，根据超表面结构对光波的特殊调制，研究可以对不同波段产生响应的超表面结构和尺寸。通过对单元结构的合理设计，如图1所示，在红外波长下左旋圆偏振波(LCP)垂直入射到由SiO2介质层、多层石墨烯基底和在工作波段介电常数高且损耗低的单元结构组成的介质超表面上时，由于所设计超表面结构的偏振转化特性和聚焦特性以及基底多层石墨烯的高反射特性，当光线经过所设计的超表面结构时，可反射产生两个不同偏振方向的光波，右旋圆偏振(RCP)和左旋圆偏振(LCP)，并且对与入射光偏振态相反的右旋圆偏振光进行聚焦，在超表面不同周期结构作用下对多个波长产生不同聚焦点。图3中的1、2、3结构分别响应近红外波段、中红外波段和远红外波段形成焦点。响应不同波段是指：超表面结构可以分别在不同波段将入射光转换为与入射光偏振态相反的反射光，且每一种超表面结构仅可将一个波段转换，相互影响可以忽略不计。

步骤(2).根据所需要的焦点位置，利用透镜等光程原理计算出单元结构相位分布并根据图3的形式排列单元结构。根据透镜聚焦性，每个透镜可产生一个焦点，但是当多个亚透镜组合在一个透镜中时，每个透镜都会对应于各自波长形成聚焦点，每种透镜结构的几何参数是完全一样的，但是空间旋转角度不同每种结构对应一种透镜。对于透镜上每个结构所产生的相位形成聚焦点的具体计算如下：

首先确定每个聚焦点的位置，然后运用透镜的等光程原理

计算出每个焦点对应的超表面透镜的相位分布---即每个单元结构需要旋转的角度。

就是超表面应满足的相位，其中，x,y是超表面上的坐标点，λ是入射光波长。其中，“±”表示入射光的旋向。由(1)式可知，所要求的旋转角的正负依赖于入射光的旋向。确定每一个不同位置的相位

就确定了整个多焦点透镜上的相位分布。另外，在超表面结构设计确定之后，通过改变多层石墨烯基底的费米能级从而可以对反射光提供附加相位来动态的调控此多焦点反射透镜的聚焦位置。

依上确定了对应不同波长透镜的相位后，我们只需将三种超表面结构放置于对应的位置，并且旋转相应角度即可满足多焦点透镜功能，这里利用了Pancharatnam-Berry相位。假设入射圆偏振光的电场表示为：

其中，E₀(r,θ)为光场振幅，σ＝±1，正负号代表左右旋圆偏振光。超表面的输出光场为：

我们注意到输出光场圆偏振手性发生反转并且获得了一个额外的相位:

φ_PB＝2σθ (5)

指向角空间θ变化的柱体或其互补结构是构建几何相位型超构表面器件的典型单元结构。该结构对于不同的偏振态具有各向异性，因此，当圆偏振电磁波入射到结构表面，与结构相互作用后透过的电磁波除了含有主偏振电磁波以外，还会激发具有正交偏振态的电磁波。并且正交偏振态电磁波会产生与结构指向角相关的相位突变，相位突变值为2σθ(σ＝1)。而通过合理设计柱状结构的参数可以使同极化反射波达到最小，交叉极化反射波达到最大。

如图3所示本设计所提出的超表面三种不同的柱状结构包括的三个小透镜是用矩形块来表示。注意：这里不同的矩形结构只是表示几种不同的子透镜，据此来说明透镜的构成，并不表示此处超表面的单元结构一定是矩形块。所述的柱状结构包括四边柱状、三角柱状、六边柱状和圆柱状、椭圆柱状等。

一束左旋圆偏振光(LCP)入射到介质超表面上，经过超表面不同的结构响应不同波长，同时由于多层石墨烯的反射，入射光会在它的同侧形成三个不同焦点，如图2所示，在所定义的三种波段下形成了三个独立的反射聚焦焦点，并且可以通过调节多层石墨烯的费米能级来动态调节焦点位置，焦距随多层石墨烯费米能级的变化关系如图4所示。

当用某一种波段的左旋圆偏振光入射时所设计的超表面时，通过数值仿真图5可以看出反射光中只会产生一个焦点，当逐渐增加入射波段个数相应的仿真焦点的个数也会随之增加，这从理论的角度说明了我们的设计的多焦点动态可调的反射透镜的可行性。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解,本发明不受上述实施例的限制,上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理,在不脱离本发明精神和范围的前提下,本发明还会有各种变化和改进,这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书界定。

Claims (6)

1.一种基于介质和石墨烯构造动态多焦点超透镜的方法，其中，所述的多焦点超透镜为多焦点超表面反射透镜，所述多焦点超表面反射透镜至少应包括多层石墨烯基底以及多个不同周期结构的超表面阵列，其特征包括如下步骤：

步骤(1).在0.7um～500um红外波长工作带宽内，首先研究不同形状尺寸的超表面结构的光学特性，在不同波长下以需要的周期设计响应不同波长入射光的旋转振子的周期性超表面结构；

步骤(2).对于每种中心波长,根据所需要的焦点和纳米单元结构调控相位机理与不同波长下的不同聚焦要求公式和透镜等光程原理,计算介质超表面上的相位梯度分布；

步骤(3).设计确定高度的柱状结构作为介质超表面的基本单元,将得到的相位梯度分布结合介质超表面的周期性结构,根据每个基本单元的相位要求和Pancharatnam-Berry相位,调节每个单元结构的空间旋转角度以得到所需相位分布；

步骤(4).应用多层石墨烯作为基底对入射光进行高反射率的反射并通过改变石墨烯的费米能级为反射光提供所需的附加相位,实现对反射光相位的动态调节,在不改变超表面结构的情况下来动态的改变焦点的聚焦位置。

2.如权利要求1所述的一种基于介质和石墨烯构造动态多焦点超透镜的方法，通过合理的设计单元结构的参数，超表面上的每一个柱状结构都相当于一个二分之一波片，它能够将大部分的入射圆偏振光转化为它的正交偏振态，左旋圆偏振入射电磁波在与各向异性超表面结构相互作用后，它的反射正交偏振态电磁波包含了没有相移的原始自旋相位和具有诱导相移的转换相位部分，这种额外的相位为±2θ，其中θ是超表面单元结构的方位角，同时多层石墨烯基底也对反射光产生附加相位，实现对原结构反射相位的进一步调谐。

3.如权利要求1所述的一种基于介质和石墨烯构造动态多焦点超透镜的方法，利用透镜等光程原理，即对于任意焦点F(x₁,y₁,z₁)，超表面相位应满足：

为超表面坐标点(x,y)处的反射相位，λ是入射光工作波长，其中，“±”表示入射光的旋向，由(1)式可知，所要求的旋转角的正负依赖于入射光的旋向，确定超表面上每一个不同位置的相位就确定了整个多焦点超表面反射透镜上的相位分布，另外，在超表面结构设计确定之后，通过改变多层石墨烯基底的费米能级可以对反射光提供附加相位来动态的调控此多焦点反射透镜的聚焦位置。

4.如权利要求1所述的一种基于介质和石墨烯构造动态多焦点超透镜的方法，其特征在于所选取的光波的波长范围在红外波长范围内，根据石墨烯的光学特性，在红外波段内石墨烯的表面电导率受化学势的影响与其他波段相比较大，化学势增加时，表面电导率大幅增加，这为电磁波的反射提供与传统透镜相比更大的反射率。

5.如权利要求1所述的一种基于介质和石墨烯构造动态多焦点超透镜的方法，其特征在于所述的步骤(3)中的柱状结构的材料特征为：在工作波段的介电常数高且损耗低，柱状结构的材料可以是氮化硅、磷化嫁、二氧化钛、硅。

6.如权利要求1所述的一种基于介质和石墨烯构造动态多焦点超透镜的方法，其特征在于所述的步骤(3)中所述的柱状结构包括四边柱状、三角柱状、六边柱状和圆柱状、椭圆柱状。

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