Author Affiliations
Abstract
1 Key Laboratory of Opto-Electronics Information Technology (Tianjin University), Ministry of Education, School of Precision Instruments and Opto-Electronics Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China
2 Beijing Key Laboratory for Metamaterials and Devices, Department of Physics, Capital Normal University, Beijing 100048, China
3 Beijing Engineering Research Center for Mixed Reality and Advanced Display, School of Optics and Photonics, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China
4 Department of Optoelectronic Information Science and Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China
Metasurfaces that can realize the polarization manipulation of electromagnetic waves on the sub-wavelength scale have become an emerging research field. Here, a novel strategy of combining the metasurface and Fresnel zone plate to form a metasurface zone plate is proposed to realize the conversion from nearly arbitrary polarizations to a fixed polarization. Specifically, when one polarized wave is incident on adjacent ring zones constructed by different types of meta-atoms, the transmitted waves generated by odd-numbered and even-numbered ring zones converge at the same focus and superimpose to generate a fixed polarized wave. As function demonstrations, we have designed two types of metasurface zone plates: one is a focused linear polarizer, and the other can convert nearly arbitrary polarized waves into focused circularly polarized waves. The simulated and measured results are consistent with theoretical expectations, suggesting that the proposed concept is flexible and feasible. Our work provides an alternative platform for polarization manipulation and may vigorously promote the development of polarization photonic devices.Metasurfaces that can realize the polarization manipulation of electromagnetic waves on the sub-wavelength scale have become an emerging research field. Here, a novel strategy of combining the metasurface and Fresnel zone plate to form a metasurface zone plate is proposed to realize the conversion from nearly arbitrary polarizations to a fixed polarization. Specifically, when one polarized wave is incident on adjacent ring zones constructed by different types of meta-atoms, the transmitted waves generated by odd-numbered and even-numbered ring zones converge at the same focus and superimpose to generate a fixed polarized wave. As function demonstrations, we have designed two types of metasurface zone plates: one is a focused linear polarizer, and the other can convert nearly arbitrary polarized waves into focused circularly polarized waves. The simulated and measured results are consistent with theoretical expectations, suggesting that the proposed concept is flexible and feasible. Our work provides an alternative platform for polarization manipulation and may vigorously promote the development of polarization photonic devices.
metasurface zone plates polarization conversion terahertz Opto-Electronic Science
2022, 1(3): 210014
1 西安科技大学理学院, 陕西 西安 710054
2 中国科学院国家授时中心中国科学院时间频率基准重点实验室, 陕西 西安 710600
相位补偿是脉冲压缩和产生超短激光脉冲的关键技术之一。首先通过类比菲涅耳波带片在空间中的相位函数,理论上证明菲涅耳二元相位整形方案可以实现类似透镜的功能,可以在频域中引入负二次光谱相位(负色散)。然后利用所提方案补偿啁啾脉冲的色散,从而将其变为变换受限脉冲,使其脉宽压缩到变换受限的时间宽度。所提方案仅与二次相位有关,不依赖于光谱振幅,因此对具有对称性分布的各种脉冲形状均适用。最后给出常见的高斯脉冲与方波脉冲的数值计算结果,在理论上验证所提方案的正确性。所提方案为啁啾脉冲压缩提供一种新的思路和方法,并可以拓展到有关色散补偿的其他领域中。
超快光学 脉冲压缩 二元相位整形 菲涅耳波带片 负色散 相位补偿 激光与光电子学进展
2020, 57(19): 193201
1 中国科学院微电子研究所 微电子器件与集成技术重点实验室，北京100029
2 中国科学院大学，北京 100049
为得到同步辐射光源硬X射线波段(>2 keV)需要的高宽比高分辨率波带片，本文利用高加速电压(100 kV)电子束光刻配合Si3N4镂空薄膜直写来减少背散射的方法，对硬X射线波带片制作技术进行了蒙特卡洛模拟和电子束光刻实验。模拟结果显示: Si3N4镂空薄膜衬底可以有效降低电子在抗蚀剂中传播时的背散射，进而改善高密度大高宽比容易引起的结构倒塌和粘连问题。通过调整电子束的曝光剂量，在500 nm厚的镂空Si3N4薄膜衬底上制备出最外环宽度为150 nm、金吸收体的厚度为1.6 μm，高宽比大于10的硬X射线波带片。同时，引入随机支撑点结构，实现了波带片结构自支撑，提高了大高宽比波带片的稳定性。将利用该工艺制作的波带片在北京同步辐射装置X射线成像4W1A束线8 keV能量下进行了聚焦测试，得到清晰的聚焦结果。
硬X射线波带片 电子束光刻 大高宽比波带片 电子束光刻 镂空薄膜 hard X-ray zone plates electron beam lithography high aspect-ratio zone plate electron beam lithography self-standing film 光学 精密工程
2017, 25(11): 2803
1 中国工程物理研究院激光聚变研究中心, 四川 绵阳 621900
2 中国科学院微电子所, 北京 100029
提出了一种计算螺旋型波带片聚焦特性的方法。从衍射积分理论出发对螺旋型波带片的聚集特性进行了理论计算，推导出了级数形式的解析解，获得了螺旋型波带片“空心”焦点的场强分布。利用螺旋型波带片的聚焦特性，对其成像进行了数值模拟和理论分析。理论分析表明螺旋型波带片的空间分辨率与其“空心”焦点的环宽有关。通过验证实验证明理论分析与实验测试一致，为螺旋型波带片成像理论和模拟计算提供了一种有效手段。
衍射 螺旋型波带片 聚焦特性 空间分辨率
1 山东科技大学 太赫兹研究中心, 青岛市太赫兹技术重点实验室,山东 青岛 266510
2 山东科技大学 太赫兹研究中心, 青岛市太赫兹技术重点实验室, 山东 青岛 266510
3 山东科技大学 太赫兹研究中心,青岛市太赫兹技术重点实验室, 山东 青岛 266510
根据瑞利-索末菲标量衍射理论分析了相位连续变化型波带片对高斯光束的衍射特性。在高斯光束入射下，对相位连续变化型波带片光轴和焦平面上的太赫兹强度分布特性进行了模拟，分析了入射光束的束腰半径和束腰位置对衍射场的影响，并与平面波入射的情况进行了对比。数值结果显示，相位连续变化型波带片可以实现对高斯分布太赫兹波的聚焦。相位连续变化型波带片的衍射规律与薄透镜的聚焦规律相似。通过合理调整束腰与波带片之间的距离可以保证衍射效率在85%以上。与平面波相比，高斯光束入射下的焦点处中心场强较小，但衍射效率较高。
衍射光学 太赫兹 波带片 相位连续 高斯光束 diffraction optics terahertz zone plates continuous phase Gaussian beam
1 山东科技大学 太赫兹研究中心, 山东 青岛 266510
2 山东科技大学 材料科学与工程学院, 山东 青岛 266510
通过对太赫兹波段相位连续变化型波带片的系统研究, 分析了特征尺寸与焦距、F数、预设频率、材料折射率等设计参数之间的关系, 讨论了影响相位连续变化型波带片效率的几个主要因素。选取太赫兹透过率较高的泡沫聚乙烯和高密度聚乙烯材料, 提出了设计方案, 对所设计的波带片沿光轴方向太赫兹波强度变化以及焦平面太赫兹波强度变化给出了计算机模拟结果, 并给出一组不同频率的波带片的特征参数。
衍射光学 太赫兹 波带片 相位连续 diffraction optics terahertz zone plates continuous phase
1 淮北师范大学物理与电子信息学院,安徽 淮北 235000
2 四川大学电子信息学院,四川 成都 610064
在高功率激光系统中,激光束小尺度畸变波前探测是实现激光束中频段波前补偿与控制的重要前提。采用阵列菲涅耳 波带片作为激光束波前传感的子孔径分割器,研究其聚焦性能,讨论了波带片的结构如阵列数目和阵列尺寸对波前 探测精度的影响。仿真结果表明,选取合适的波带片结构参数可以使小尺度畸变波前的重构误差小于十分之一个波长。 为了检测阵列菲涅耳波带片作为波前传感器检测波前畸变的性能,实现小尺度波前畸变检测的目的,构建了激光波 前畸变检测光路系统。实验结果表明了阵列菲涅耳波带片检测波前畸变的可行性和准确性。
激光技术 波前探测性能 阵列菲涅耳波带片 波前传感器 小尺度相位畸变 laser techniques wavefront sensing characteristics array Fresnel zone plates wavefront sensor small-scale phase distroted wavefront
1 中国工程物理研究院激光聚变研究中心,四川 绵阳 621900
2 中国科学院微电子研究所,北京 100029
研究了螺旋型波带片的成像特性。螺旋型波带片是一种新型成像元件,能够实现光学希尔伯特变换,获取边缘增强图像。采用快速傅里叶变换算法对螺旋型波带片的成像进行了数值模拟,分析了其成像特性并实验进行验证。通常螺旋型波带片作为空间滤波器要求物距满足夫琅禾费(Fraunhofer)衍射条件,理论计算表明在某些菲涅耳(Fresnel)衍射区域内螺旋型波带片仍可获得良好的成像效果,因此螺旋型波带片的实际视场比根据夫琅禾费衍射条件限定的视场要大。实验结果与数值模拟的吻合很好。因此利用快速傅里叶变换算法对螺旋型波带片成像质量模拟可以有效评估成像质量,对螺旋波带片显微镜的设计有重要的指导意义。
傅里叶光学 螺旋型波带片 希尔伯特变换 边缘增强 空间滤波
1 中国科学院微电子研究所,北京 100029
2 中国工程物理研究院 激光聚变中心,四川 绵阳 621900
对利用X 射线光刻制作大高宽比硬X 射线波带片的设计和制作工艺进行了研究。采用电子束光刻制作X射线光刻掩模,并利用X 射线光刻制作最终的硬X 射线波带片。采用对光刻胶结构加入支撑点的方法,大大提高了X 射线光刻制作硬X 射线波带片的高宽比。对所加入支撑点的布置策略进行了优化,使得支撑点所占的面积比例减小。所制作的波带片最外环宽度为200 nm,厚度为2.8 μm,具有优良的结构质量,预期可用于10 keV 到25 keV波段,并具有优于250 nm 的成像分辨率。
大高宽比 X 射线波带片 X 射线光刻 衍射效率 high aspect-ratio X-ray zone plates X-ray lithography diffraction efficiency
中国科学技术大学 国家同步辐射实验室, 合肥 230026
通过测量软X射线相位型和振幅型聚焦波带片的一级衍射强度,实验得到了自行研制的两种相位型软X射线聚焦波带片的相对衍射特性。测量实验装置简单,调节相对容易。选择合适的针孔大小可使得接收信号有足够的信噪比。对波带片聚酰亚胺衬底的厚度进行了归一化。分别将3个镍和锗波带片的一级衍射强度与金波带片进行了比较。在3.2nm工作波长,研制的镍、锗软X射线相位型波带片的平均一级衍射效率分别是软X射线振幅型金波带片一级衍射效率的1.60和1.26倍,与理论值1.77和1.34很接近。测试结果表明,我们制作的相位型波带片具有较高精度。
X射线光学 X射线波带片 衍射 相对效率
