1 中国科学院光电技术研究所微细加工光学技术国家重点实验室，四川 成都 610209
2 中国科学院大学，北京 100049
3 中国科学院光电技术研究所矢量光场研究中心，四川 成都 610209
高阶贝塞尔光束能够携带轨道角动量，且具有无衍射特性，在粒子操控、激光微纳加工及非线性光学等领域具有重要应用价值。目前产生高阶贝塞尔光束的方式无法同时满足集成化和高功率场景的应用需求。基于飞秒激光诱导的双折射纳米光栅结构，提出一种高损伤阈值的集成化光场调控器件制备方法。通过调控纳米光栅的光轴方向和相位延迟量，在石英玻璃内部写入光轴取向空间变化的多层纳米光栅结构，制备的器件可以实现不同光场调控功能的叠加和不同工作波长的设计。基于所提方法制备了中心波长为532 nm、拓扑荷值为4的高阶贝塞尔光束产生器件。器件产生的高阶贝塞尔光束携带的轨道角动量与设计值相符，在4 m距离内光斑大小保持基本不变。器件的零几率激光损伤阈值为28.5 J/cm2（6 ns），在高功率激光光束整形等领域具有极大的应用潜力。
激光光场调控 高阶贝塞尔光束 集成化光学元件 飞秒激光 纳米光栅 激光损伤阈值 光学学报
2023, 43(13): 1326003
1 中国科学院光电技术研究所微细加工光学技术国家重点实验室，四川 成都 610209
2 中国科学院大学电子电气与通信工程学院，北京 101408
3 天府兴隆湖实验室，四川 成都 610299
激光雷达技术因具有高精度、高分辨率和工作距离远等优点被广泛应用于三维成像。然而，受光学系统衍射极限的限制，激光雷达的空间分辨率随着目标距离的增大而显著降低。为解决上述问题，结合共聚焦照明技术和亚像素扫描技术，提出一种聚焦照明亚像素扫描光子计数激光雷达，并在实验室内进行了10 m成像实验。结果表明，相较于准直照明光束，采用共聚焦照明光束可将系统空间分辨率由5.0 mm提高到0.9 mm，不仅实现了超光学系统衍射极限成像，还有效降低了多重回波的影响，增强了回波强度。
光学设计 激光雷达 亚像素扫描 共聚焦照明 高分辨率
1 中国科学院光电技术研究所微细加工光学技术国家重点实验室，四川 成都 610209
2 中国科学院大学光电学院，北京 100049
3 中国科学院光电技术研究所矢量光场研究中心，四川 成都 610209
得益于体积小、结构紧凑、易集成等优势，基于超构表面的微型光谱探测技术近年来被广泛研究。然而，现有基于超构表面的微型光谱探测系统设计过程中，通常缺乏对超构表面透射光谱相关性均值与重建质量的定量分析。现有设计过程中采用随机选择方法，无法保证重建质量最优。本文定量分析了超构表面透射光谱的相关性均值与重建质量的关系，提出了一种用于微型光谱探测的超构表面设计方法。此外，本文还验证了基于超构表面的微型光谱探测技术的光谱特性，相较于随机选择设计方法，本文所提出方法可提高宽带光谱和图像光谱的重建质量。
量化分析 超构表面 方法 微型光谱探测 quantitative analysis metasurfaces methodology miniature spectral detection
1 中国科学院光电技术研究所 微细加工光学技术国家重点实验室，四川 成都 610209
2 中国科学院大学 光电学院，北京 100049
3 中国人民解放军军事科学院 国防科技创新研究院，北京 100071
偏振成像技术在目标探测、生物医学等领域具有重要应用价值，基于超构表面设计的偏振成像系统可以有效避免传统偏振成像系统存在的结构复杂、体积和质量大等问题，有利于实现光学系统微型化、轻量化和集成化。然而，传统超构表面设计方法忽略了超构表面结构的局部非周期性引起的近场电磁耦合，在大数值孔径的条件下会严重影响器件的衍射效率。为了解决这个问题，本文提出了一种基于边界优化的偏振复用超构透镜设计方法，并由此设计了一种能对x和y偏振光独立调控的大数值孔径(~0.94)偏振成像超构透镜。在基于人工择优初始结构的优化设计中，通过参数扫描、人工择优的传统设计方法得到超构透镜初始结构，然后通过边界优化方法对超构透镜进行进一步的优化，其衍射效率相比于优化前可以提高20%左右；在基于均匀阵列初始结构的优化设计中，通过20次左右的迭代，超构透镜衍射效率可以达到92%左右。本文提出的优化设计方法可有效提高偏振复用超构表面器件效率，并且能够简化多功能超构表面的设计步骤，在偏振成像、光通信等领域具有应用前景。
超构表面 伴随优化 边界优化 偏振成像 metasurface adjoint optimization boundary optimization polarization imaging
1 中国科学院光电技术研究所微细加工光学技术国家重点实验室，四川 成都 610209
2 中国科学院大学光电学院，北京 100049
3 中国人民解放军军事科学院国防科技创新研究院，北京 100071
切趾在成像和光通信领域得到了重要的应用。传统的切趾方法基于相位或者振幅调制，存在工作带宽窄或者分辨力低的问题。本文提出了一种宽带消色差的超表面滤波器，可以在不损失空间分辨力的情况下实现切趾成像。通过该滤波器在整个可见光波段完成了几乎无色散的相位调制。仿真结果表明，超表面滤波器的聚焦效率是相位滤波器的两倍；其成像对比度可以提升至高斯滤波器的三倍。通过我们的方法，在400 nm到700 nm的可见光波段内，点扩散函数的旁瓣能被压缩到10-5数量级，同时能够实现衍射极限甚至超衍射的分辨力。
切趾 宽带 无色散 超表面 apodization broadband dispersionless metasurface
1 中国科学院光电技术研究所微细加工光学技术国家重点实验室，四川 成都 610209
2 中国科学院大学光电学院，北京 100049
3 中国科学院大学光电学院，北京 100049中国人民解放军军事科学院国防科技创新研究院，北京 100071
超透镜是超表面在成像领域中具有较大应用潜力的平面光学器件，但限于色差和较窄的工作带宽，通常难以应用于彩色成像及显示技术。本文设计了一种相位调控型透射式超透镜，实现了400 nm～650 nm波段的宽带消色差聚焦功能，带宽范围内焦平面处的平均聚焦效率约为29%。该方法利用具有低损耗、高折射率优势的二氧化钛(TiO2)介质柱结构，在可见光波段内获得了类似截断波导产生的传输相位响应。同时分析了几何相位和传输相位相结合的色散调控机制，并使用粒子群算法对构建的相位响应仿真数据库进行优化，完成了实际波面与理想聚焦波面的相位匹配。设计的宽带消色差器件有望在显微成像、计算机视觉和机器视觉等领域发挥作用。
超透镜 可见光 消色差 宽带 metalens visible achromatic broadband
1 中国科学院光电技术研究所微细加工光学技术国家重点实验室，四川成都 610209
2 中国科学院大学光电学院，北京 100049
3 中国人民解放军军事科学院国防科技创新研究院，北京 100071
光子自旋 —轨道相互作用是经典光学所忽略的重要现象，近年来研究发现该现象可通过人工亚波长结构显著增强并进行按需调控。传统超构表面仅支持对称光子自旋 —轨道相互作用，存在共轭对称性限制，难以将不同自旋态用于多功能集成、复杂光场调控、信息加密及存储等领域。非对称光子自旋 —轨道相互作用能够使左右旋圆偏振光解耦，为突破上述理论和应用限制带来新契机。本文首先介绍了非对称光子自旋 —轨道相互作用的原理及实现方法，其次介绍非对称光子自旋 —轨道相互作用的代表性应用以及特点，最后对非对称光子自旋 —轨道相互作用研究面临的挑战和未来的研究方向进行展望。
超构表面 光子自旋—轨道相互作用 轨道角动量 metasurface photonic spin-orbit interaction orbital angular momentum optical catenary
1 中国科学院光电技术研究所 微细加工光学技术国家重点实验室，四川 成都 610209
2 中国科学院大学 光电学院，北京 100049
偏振是光的固有属性之一，然而传统的光强、光谱探测技术会造成电磁波的偏振信息的丢失。同时，基于偏振测量的器件及技术不仅存在视场局限的问题，而且系统复杂。基于介质型超表面设计了一种紧凑型大视场偏振探测器件，实现了对入射光的角度及偏振态的探测。该器件由2×2的二次相位超表面组成，每个超表面可实现对特定偏振的对称性变换，即将入射角旋转对称性转变为焦平面内焦点平移对称性。二次相位的对称性变换理论使得此文可以在宽角度范围内（-40°~+40°）通过测量焦点的偏移量实现对入射角的表征。在此基础上，分析了斜入射对测量Stokes参数的影响，得到矫正的Stokes公式。利用4个焦点的强度和矫正的Stokes公式可计算出入射光的Stokes参数。在视场角为0°、20°、40°时，测量的Stokes参数与理论值吻合良好。
超表面 二次相位 波前调控 偏振探测 紧凑 大视场 metasurface quadratic phase wavefront modulation polarimetry compact large field-of-view 红外与激光工程
2020, 49(9): 20201030
1 中国科学院光电技术研究所微细加工光学技术国家重点实验室，四川 成都 610209
2 中国科学院大学，北京 100049
本文介绍了一种能够产生超强旋光性的弱手性极薄(λ/10)亚波长结构的超表面。该超表面的单元结构由介质层以及设置在介质层上下表面的两层椭圆金属贴片组成，两层椭圆金属贴片之间存在一个扭转角的关系。当扭转角为 80°时，超表面在谐振频点 11.89 GHz处能将入射线偏振电磁波转换为交叉极化透射波，其透过率超过 94%。这种超表面重量轻、体积小，为极化旋转提供了一种可靠的方法。若将其拓展到光波波段，该超表面在弱手性分子的生物学检测中有潜在的应用。
超表面 手性 超常 旋光性 metasurface chirality extraordinary optical activity
1 中国科学院光电技术研究所微细加工光学技术国家重点实验室, 四川 成都 610209
2 中国科学院大学, 北京 100049
悬链线型亚波长结构可以实现连续的相位调控。但是, 普通悬链线孔径两端较窄, 不易于加工。另外, 以往直接在仿真软件 CST中建立复杂模型较为困难, 仿真过程较为繁琐。本文提出了用等宽悬链线狭缝替代普通悬链线狭缝, 并设计了用于产生贝塞尔光束的等宽悬链线超表面, 为二维光电器件的设计提供了新思路。在建模仿真过程中使用 Matlab调用 CST进行联合仿真, 直接在 Matlab中完成所有建模、仿真、修改参数等操作。该方法可以用于设计复杂结构, 同时结合 Matlab数值优化能力得到更理想的仿真效果。
超表面 悬链线 贝塞尔光束 metasurfaces catenary Bessel beam CST CST Matlab Matlab
