1 长春理工大学光电工程学院光电测控与光信息传输技术教育部重点实验室，吉林 长春 130022
2 长春理工大学光电工程学院光电工程国家级教学示范中心，吉林 长春 130022
3 长春理工大学中山研究院，广东 中山 528400
中红外热成像系统是通过探测物体本身的辐射进行成像，不需要外部光源。而传统的中红外热成像系统体积大，不利于小型化。本文基于传输相位理论，采用时域有限差分（FDTD）法，使用FDTD软件计算仿真，探究了不同的单元半径、纳米柱高度及单元周期对相位延迟及透过率的影响，并且针对不同的纳米柱半径，利用传输相位调控实现中红外（3∼5 μm）波长下全介质硅材料的宽带消色差超透镜设计。其数值孔径为0.24，仿真焦距值为147.3 μm，半峰全宽（FWHM）为8.11μm，透镜透过率达到70%。设计的超透镜不仅体积小、质量轻、全波长聚焦效率可达到54%，而且为平面透镜，因此易于光学系统集成，在红外成像、红外夜视仪、红外遥感等技术中展现出广阔的应用前景。
超透镜 中红外波段 平面透镜 消色差 宽带 光学学报
2023, 43(21): 2122002
1 重庆大学光电工程学院，重庆 400044
2 重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室，重庆 400044
从光学自身机理上突破光学理论分辨率极限，实现远场超分辨光学点扩散函数，进而实现超分辨聚焦和超分辨成像，在激光加工、超分辨光学显微和超分辨望远等系统有着重要应用前景。近年来，光学超构表面的发展使得在亚波长尺度上实现光场振幅、相位及偏振的独立调控成为可能，为研制新型的超分辨平面超构透镜提供了更加灵活的手段。本文介绍了基于光学超构表面的超分辨平面超构透镜、相关测试技术方面几年来的研究进展，并讨论了该领域面临的问题和未来的研究重点和方向。
光学超分辨 超振荡 平面透镜 超构表面 optical super-resolution super-oscillation planar lens metasurface
1 西安工业大学 光电工程学院，陕西 西安 710021
2 西安应用光学研究所，陕西 西安 710065
基于微纳结构对光波调控实现聚焦与成像的超透镜是目前国际上竞相发展的前沿技术。本文针对目前已报道的近红外超透镜偏振相关、系统复杂以及透过率低等难题，提出了一种偏振无关的近红外超透镜。以低折射率材料SiO2为基底，高折射率材料Si圆形柱为相位调控单元，设计波长为1.31 μm。利用时域有限差分方法分析了近红外超透镜构建单元的光波调控特性，构建了构建单元的相位延迟特性曲线，探究了构建单元周期对光波透过率的影响规律，实现了构建单元的优化设计，并基于波前重构方程，设计出偏振无关的近红外超透镜。数值仿真结果表明：相位调控单元的相位延迟与透过率不仅取决于Si圆形柱半径、高度，而且与单元周期密切相关；基于分析的构建单元光波调控特性，设计的近红外偏振无关超透镜焦距仿真值为19 μm，与设计值较好吻合，透镜透过率达到65%。设计的超透镜不仅体积小、质量轻，而且为平面透镜，因此易于光学系统集成，在激光雷达、激光夜视等技术中展现出广阔的应用前景。
超透镜 偏振无关 近红外 平面透镜 metalens polarization-independent near-infrared plane lens
南京大学 现代工程与应用科学学院，江苏 南京 210023
大尺寸、大数值孔径、宽波段的消色差平面透镜设计是成像技术的一个瓶颈性问题，也是近年来超构透镜研究领域的一个重要挑战，主要原因是透镜的各个参量之间存在内禀的制约关系。文中结合消色差透镜的群时延理论及透镜的相位分布，通过理论分析给出各参量之间的半定量制约关系。同时，分别通过拓扑优化和直接二值搜索的方法，设计了不同参量下的消色差超构透镜和多阶衍射透镜，发现在保持效率80%左右的前提下，透镜尺寸增加了一倍，数值孔径或波段宽度减少了一半，而透镜厚度则随尺寸成线性增长。该结果表明，这两类平面透镜具有相同的內禀参数依赖关系，即透镜尺寸与数值孔径和波段宽度呈现反相关、与透镜厚度呈现正相关的关系，这与理论预测基本一致。
平面透镜 消色差 参量优化 flat lens achromatism parameter optimization 红外与激光工程
2020, 49(9): 20201032
西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室, 陕西 西安 710049
针对大尺度超振荡平面透镜(SOL)的实际应用,基于严格的矢量角谱理论定量研究了多种典型制造误差对大尺度SOL聚焦性能的影响规律。理论计算结果表明:横向环带制造误差对振幅型SOL(金属膜)和相位型SOL(介质层)聚焦性能的影响规律基本一致,环带中心位置偏差主要影响SOL的聚焦焦距,环带宽度偏差主要影响SOL的聚焦光斑分布;±150 nm范围内的位置偏差和宽度偏差是大尺度SOL各环带的最大制造允许公差;对于相位型SOL,纵向刻蚀深度偏差主要影响聚焦光斑的强度,π相位差对应的聚焦光斑强度最大;为使相位型SOL聚焦光斑保持较高强度,应使介质层刻蚀深度对应的相位调制量保持在(0.8~1.2)π的范围内。
衍射 超振荡平面透镜 振幅型透镜 相位型透镜 制造误差 超分辨 光学学报
2020, 40(20): 2005001
1 空天微纳系统教育部重点实验室 西北工业大学, 陕西 西安 710072
2 陕西省微纳机电系统重点实验室 西北工业大学, 陕西 西安 710072
传统光学系统由于受到衍射极限的制约, 难以实现远场超分辨聚焦与成像。基于超振荡原理的平面超透镜为这一难题提供了可能的解决途径, 其在传播过程中可不依赖倏逝波而实现远场超分辨聚焦。利用对各个衍射单元之间的衍射干涉效应进行精确调控, 可在焦平面上局部区域内获得高于系统最高空间频率的电场振荡, 从而实现对衍射焦点区域横向和轴向尺寸的可控调节。与传统光学透镜相比, 平面超振荡透镜具有光场可控性强、设计自由度大、便于集成等优点, 同时借助其远场超衍射极限的光场调控能力, 受到衍射光学和微纳光学等领域研究人员的广泛关注。本文主要从实际应用的角度出发, 对平面超振荡透镜的研究现状及其应用场景进行了分析和讨论, 最后对该类透镜目前面临的问题及对应的解决办法进行了阐述。
平面透镜 超振荡透镜 超分辨 衍射光学 微纳光学 planar lenses super-oscillatory lens super-resolution diffractive optics micro-nano optics
1 重庆大学光电工程学院，重庆 400044
2 重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室，重庆 400044
角向偏振聚焦光场在超分辨光学显微、粒子操控等领域有着重要的应用。为克服传统透镜体积大、不利于集成等不足，本文提出了一种基于二值振幅(0，1)调控的角向偏振光超振荡聚焦平面透镜。针对波长λ=632.8 nm，设计、制备了超振荡平面透镜样品。透镜半径为650λ，焦距为200λ，数值孔径NA=0.96。实验结果表明：聚焦光场在焦平面上形成的空心聚焦光场呈圆环结构；空心环内径半高全宽为0.368λ，小于超振荡判据(0.38λ/NA=0.398λ)；最大旁瓣比为36.7%。该平面透镜具有结构尺寸小、厚度薄、便于加工等优点，可用于光学系统的微型化和集成化。
超振荡聚焦 平面透镜 角向偏振光 空心聚焦光场 super-oscillatory focusing planar lens azimuthally polarized wave dark spot
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所应用光学国家重点实验室, 长春 130033
针对透射式投影物镜中由于不均匀照明产生的像散, 提出了采用平面透镜作为主动光学元件以补偿像散的方法。本文对直径为 Φ140 mm, 通光孔径为 Φ120 mm 的平面透镜的支撑结构进行设计和有限元分析, 分析了支撑结构的各个关键参数、镜片厚度和驱动力大小对面形的影响, 得到了支撑结构的关键参数和驱动力对面形的影响规律为线性曲线, 镜片厚度对面形的影响规律为指数下降曲线和不同驱动力导致的面形图。结果表明, 本支撑结构在补偿像散时, 面形补偿分辨率约为 2 nm, 引入的高阶像差可以忽略, 设计分析结果为投影物镜中主动光学镜片的选择和支撑结构的设计及实验提供依据。
主动光学 平面透镜 像散 投影物镜 active optics plane-parallel plate astigmatism projection objective
1 长安大学理学院, 陕西 西安710064
2 西安电子科技大学技术物理学院, 陕西 西安 710071
双曲柱面-平面透镜在加工过程中，误差不可避免，使得透镜结构与理论值不符，难以达到最佳准直效果。基于光线追迹理论，对透镜准直半导体激光光束 的特性进行了研究。用解析的方法，讨论了透镜的结构参数、材料折射率及光源与透镜间的距离对透镜准直效果的影响。结果表明：适当选择透镜结构参数、 光源位置参数，可使透镜达到最佳准直效果。为双曲柱面-平面透镜准直性能的改善和半导体激光器快轴方向光束质量的提高，提供了理论依据。
激光技术 准直 光线追迹 双曲柱面-平面透镜 laser techniques collimation ray-tracing hyperboloid cylinder-plane lens
