本文为中国激光第3135篇。
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Ximin Tian, Yafeng Huang, Junwei Xu, Tao Jiang, Pei Ding, Yaning Xu, Shenglan Zhang, Zhi-Yuan Li. Differentiated design strategies toward broadband achromatic and polarization-insensitive metalenses[J]. Advanced Photonics Nexus, 2023, 2(5): 056002
超构表面作为亚波长结构单元排布组成的新型平面光学元件，可对光场相位、振幅、偏振及频率进行灵活剪裁，为实现集成化和小型化光学元件提供了强大的支撑平台。超构透镜作为超构表面走向实用化的典型代表，兼具低损耗、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，由亚波长单元结构共振响应不同及透射光传播矢量随波长改变引起的色散效应，会导致超构透镜在偏离设计波段遭受较大的色差，从而限制了其在多波长或宽带应用中的成像效果。
研究人员已经提出了几类不同的消色差方案，如离散波长的共焦消色差方案，集成谐振相位补偿的宽带消色差方案及零有效色散的宽带消色差方案等。但上述方案往往需要繁杂的全系统优化模拟，且受限于入射光的偏振态，增加了设计的复杂性，其应用场景受到了极大限制。
研究人员受光学瑞利判据指出的——在两个点光源的衍射图案中，当一个光源的中央最大值与另一个光源的第一个最小值重合时，这两个光源刚好可被分辨开的启发，将设计方案分为以下步骤：①优化两组Ge2Sb2Se4Te1（GSST）各向异性纳米结构，使两组各向异性纳米结构对应于两不同工作波长；②基于偏振复用理论，通过纯PB相位同时独立调控两组各向异性纳米结构的旋转方位角，使两组各向异性纳米结构的旋转方位角均被限制为0°或90°；③将两组各向异性纳米结构集成到单层单胞元相变超表面中，因此两组各向异性纳米结构形成“+”字或“-” 字复合形式，从而使两工振波长通道间的串扰最小化。④设置合适的超构透镜数值孔径NA，使两组各向异性纳米结构在整个工作波段形成色差完全互补，进而实现宽带消色差偏振不敏感聚焦性能。
图1 宽带消色差偏振不敏感超构透镜BAPIML示意图及设计原理。(a) 宽带消色差偏振不敏感超构透镜BAPIML示意图。(b)-(d) 设计原理：沿z轴两个亮斑逐渐重叠的过程。中红外圆偏振光入射下，透过基于NF1、NF2、NF1∥NF2及NF1⊥NF2超构元胞的正交偏振透过率Tcross (e)和对应的偏振转换效率PCE (f) 示意图
如图1(a) 所示，所设计宽带消色差偏振不敏感超构透镜BAPIML能够将中红外4-5 μm波段的任意偏振入射光无色差地聚焦到同一点上。图1(b)-(d)展示的是所采用的宽带消色差策略。设波长为λ1的入射光透过基于NF1的超构透镜ML1后，被聚焦在焦距f0处，设波长为λ2的入射光透过基于NF2的超构透镜ML2后，被聚焦在焦距f0处，且λ1< λ2。由衍射透镜固有属性“波长越长，焦距越短”可知，特定波长λi（λ1˂λi˂λ2）透过ML1和ML2后，产生的两亮斑分别被聚焦在沿z轴不同的位置，其中一个大于f0，另一个小于f0。当两焦点中心间的距离足够大时，两亮斑可被清晰地分辨出来（图1(b)）；随着两焦点中心间的距离逐渐减小，两亮斑相互靠近，直到它们刚好可以被分辨出来（图1(c)）；当两焦点中心间的距离进一步减小，两亮斑完全融合成一个无法被分辨的亮斑（图1(d)）。
通过巧妙设计超构透镜数值孔径NA，可使ML1和ML2在[λ1, λ2] 整个波段内实现色散互补，即在该波段两个亮斑被完全融合成单一聚焦斑点，从而实现宽带消色差聚焦性能。如图1(e，f)所示，基于NF1的超构元胞在λ1处正交偏振透射率Tcross大于0.95，在λ2处小于0.05；而基于NF2的超构元胞在λ1处正交偏振透射率Tcross小于0.1，在λ2处大于0.97；基于NF1∥NF2的超构元胞的透射响应与基于NF2的超构元胞的透射响应相似，这主要是由于NF2尺寸相对较大；基于NF1⊥NF2的复合超构元胞在整个关注的波段范围内，平均正交偏振透过率达到了0.88，这保证了所述宽带消色差偏振不敏感超构透镜在整个波段范围内可实现有效的宽带消色差偏振不敏感聚焦功能。
研究人员发现对比器件ML1只在λ1 = 4 μm及对比器件ML2只在λ2 = 5 μm时，产生的光斑中心位置才接近预设焦距位置，且入射波长偏离目标波长越远，光斑中心位置越偏离预设焦距位置。而所设计超构透镜BAPIML通过合理设置数值孔径NA，使得ML1产生的色差可完全补偿由ML2色散引起的“反向”色差，使产生的光斑中心都接近预定焦距位置。在整个4⁓5 µm波段范围内，所设计超构透镜BAPIML产生的光斑焦距变化量非常小（<6.13%），所有的FWHM均在理论衍射极限附近，平均聚焦效率达到34.9％。这表明，所设计的超构透镜BAPIML在4-5 μm波段内可实现高效的宽带消色差聚焦功能。
图2 宽带消色差偏振不敏感超构透镜BAPIML的偏振不敏感聚焦性能。(a)-(c)在波长4、4.5 及5μm不同偏振入射光入射下，所设计超构透镜BAPIML沿x-y焦平面（上）及x-z平面（下）的电场强度分布图。LP0，LP45，LP90，LCP、RCP、LEP及REP 分别表示x线偏振入射光，45°线偏振入射光，y线偏振入射光，左旋圆偏振入射光，右旋圆偏振入射光，左旋椭圆偏振入射光及右旋椭圆偏振入射光。其中椭圆偏振光椭偏度为±0.5
进一步的研究表明，在所选三个采样波长上，超构透镜BAPIML在不同的入射偏振光下生成的亮斑其中心位置几乎不变，均在预设目标焦距处，且亮斑电场强度基本维持稳定不变，可推断所设计超构透镜BAPIML在整个4⁓5 µm关注波长范围内均具有良好的偏振不敏感聚焦功能。
该研究中所提出的宽带消色差偏振不敏感超构透镜的设计方法是一种全新设计方案，可被拓展到可见及THz波段，还可以用于实现宽带消色差偏振不敏感涡旋光束的产生，且通过调控数值孔径，还可以实现双波长变焦超构透镜等。该研究为实现宽带消色差偏振不敏感超构透镜提供了一种新思路，代表了宽带消色差超构透镜的一大进步，并可能在超紧凑芯片级设备中实现潜在应用。
