一种基于空间复用消色差超透镜的偏振探测器件

本发明涉及偏振探测，具体涉及一种基于空间复用消色差超透镜的偏振探测器件。

背景技术：

1、目前基于超构表面的偏振探测技术研究已有较大的进展，但是具有消色差功能的偏振探测器件当入射光的波长超出偏振探测器件的工作带宽时，由于器件介质柱不能满足对于工作带宽外波长的聚焦相位分布，还是会不可避免地产生色差，导致焦平面位置发生偏离，甚至会影响偏振探测以及后续的成像效果，在一定程度上限制了器件的应用场景。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于空间复用消色差超透镜的偏振探测器件。采用空间复用的方式对不同偏振相关超透镜对应的介质柱在空间上交替排列，从而在保持器件的原有尺寸和焦距的情况下等效增大了数值孔径、提高了器件的分辨率，同时，集成了布拉格反射器以过滤出器件对应的工作波长带宽，减小器件对于光源的需求依赖。

2、为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：

3、一种基于空间复用消色差超透镜的偏振探测器件，自上而下依次设置的超构表面和布拉格反射器。

4、其中，所述超构表面组件包括衬底和纳米介质柱，所述纳米介质柱排列在所述衬底上。

5、所述纳米介质柱的横截面为椭圆形状的各向异性结构，以对不同波长及偏振态具有不同振幅与相位响应。

6、所述布拉格反射器由介质层在空间上交替排列构成，且不同区域的所述介质层的厚度不同，以形成不同的禁带从而起到带通滤波器的作用。

7、本公开至少一实施例提供的基于空间复用消色差超透镜的偏振探测器件中，所述超构表面形成有水平线偏振消色差超透镜、垂直线偏振消色差超透镜、45°线偏振消色差超透镜和左旋圆偏振消色差超透镜。

8、所述水平线偏振消色差超透镜、垂直线偏振消色差超透镜、45°线偏振消色差超透镜和左旋圆偏振消色差超透镜对应的纳米介质柱采用空间复用的方式交替排列。

9、本公开至少一实施例提供的基于空间复用消色差超透镜的偏振探测器件中，所述超构表面的尺寸为35μm×35μm。

10、所述纳米介质柱阵列数为100×100。

11、所述水平线偏振消色差超透镜、垂直线偏振消色差超透镜、45°线偏振消色差超透镜和左旋圆偏振消色差超透镜均占所述超构表面整体面积的四分之一。

12、本公开至少一实施例提供的基于空间复用消色差超透镜的偏振探测器件中，所述纳米介质柱为富硅氮化硅纳米介质柱。

13、所述衬底为二氧化硅衬底。

14、本公开至少一实施例提供的基于空间复用消色差超透镜的偏振探测器件中，所述介质层包含有富硅氮化硅介质层和二氧化硅介质层。

15、本公开至少一实施例提供的基于空间复用消色差超透镜的偏振探测器件中，所述布拉格反射器包含有上层区域和下层区域。

16、所述上层区域和下层区域均由五对所述富硅氮化硅介质层和所述二氧化硅介质层交替叠加构成。

17、所述上层区域的富硅氮化硅介质层厚度为74nm，所述上层区域的二氧化硅介质层厚度114nm。

18、所述下层区域的富硅氮化硅介质层厚度为42nm，所述上层区域的二氧化硅介质层厚度71nm。

19、由于不同区域的介质层厚度不同导致对不同的波段进行阻挡从而起到带通滤波器的作用。

20、本公开至少一实施例提供的基于空间复用消色差超透镜的偏振探测器件中，所述纳米介质柱的高度为600nm，最大深宽比为6:1。

21、所述纳米介质柱的排列周期为350nm。

22、本公开至少一实施例提供的基于空间复用消色差超透镜的偏振探测器件中，所述水平线偏振消色差超透镜、垂直线偏振消色差超透镜、45°线偏振消色差超透镜和左旋圆偏振消色差超透镜的工作带宽均为517nm–562nm。

23、所述水平线偏振消色差超透镜、垂直线偏振消色差超透镜、45°线偏振消色差超透镜和左旋圆偏振消色差超透镜用于聚焦入射光中对应的偏振光强分量，通过定量得到对应的四种光强数据，分别为ix、iy、i45和ilcp，从而能够根据计算式得到全斯托克斯矢量，实现偏振探测功能。全斯托克斯矢量的计算式如下所示：

24、

25、所述水平线偏振消色差超透镜、垂直线偏振消色差超透镜、45°线偏振消色差超透镜和左旋圆偏振消色差超透镜对应的纳米介质柱在空间上采用空间复用的方式进行交替排列，在保持原有尺寸和焦距的情况下产生了增大超透镜尺寸的效果，从而等效增大了数值孔径，提高了器件的分辨率。

26、所述水平线偏振消色差超透镜、垂直线偏振消色差超透镜、45°线偏振消色差超透镜和左旋圆偏振消色差超透镜的聚焦位置分别为焦平面处左上角、右上角、左下角、右下角区域中心，且四种超透镜的焦距均为120μm。超透镜的设计工作带宽为517nm–562nm，在工作带宽内具有消色差的特点，对工作带宽内波长均能实现偏振探测功能。

27、富硅氮化硅对可见光有较低的损耗且具有较高的折射率可以实现对可见光的有效调制，同时可以通过控制生长工艺参数来较为方便地调节材料折射率，生长富硅氮化硅所用的硅烷和氮气的气体流量体积比为12:18，生长温度为300℃。

28、介质柱排列周期为350nm，等效为对于同种偏振相关超透镜的介质柱周期为700nm，满足奈奎斯特抽样定律，从而确保目标相位分布的设定。

29、由于纳米介质柱为各向异性的椭圆介质柱，可以改变的参数包括纳米介质柱的旋转角度和横截面长轴及短轴。通过在不同波长入射光下对长短轴参数在100nm–310nm范围内的具有不同长短轴的纳米介质柱进行参数扫描，可以获得相应的振幅与相位响应情况，且在实际选取纳米介质柱时只选取透过率大于50％的介质柱尺寸，尽量保证偏振探测器件的高效率。

30、布拉格反射器由富硅氮化硅介质层和二氧化硅介质层在空间上交替排列构成，且富硅氮化硅介质层与纳米介质柱所用材料一致，在517nm–562nm的带宽范围内均能够保持40％以上的透过率。

31、本发明利用独立相位调控的方法进行设计，即同时考虑对目标偏振态和正交偏振态的调控，实现偏振态的分离，对于水平线偏振消色差超透镜的设计原理基于传输相位。以聚焦中心为坐标原点，水平线偏振光的目标聚焦相位为：

32、

33、对应的正交偏振态光的目标发散相位即此时垂直线偏振光需要满足的相位为：

34、

35、其中x和y为以聚焦中心作原点的坐标，λ为超透镜的工作波长，f为超透镜的焦距，c1(λ)和c2(λ)为与波长有关的目标相位分布的常数项，提供了一个可根据实际情况进行优化的维度。

36、本发明利用独立相位调控的方法进行设计，即同时考虑对目标偏振态和正交偏振态的调控，实现偏振态的分离，对于左旋圆偏振消色差超透镜的设计原理基于传输相位和几何相位。当圆偏振光[1,iσ]t入射时，透射光为：

37、

38、其中ex和ey分别表示透射光的水平和垂直偏振分量；当σ＝1和σ＝-1时分别表示左旋圆偏振光和右旋圆偏振光；tu和tv分别为纳米介质柱沿长轴和短轴的复振幅；θ是纳米介质柱的几何旋转角度。等式右侧第一项的系数表征了透射光中与入射光具有相同旋向的圆偏振分量的振幅和相位，即共偏振部分，由于无法对该部分进行几何相位的附加相位调控，所以需要抑制其聚焦作用，即该系数对应的实际相位需要满足的目标发散相位分布为：

39、

40、等式右侧第二项的系数表征了透射光中与入射光具有相反旋向的圆偏振分量的振幅和相位，即交叉偏振部分。其中，系数中的表示传播相位部分；ei2σθ表示通过旋转引入的几何相位部分，能用于调制圆偏振光。几何相位部分需要对左旋圆偏振光产生聚焦作用，而与此同时，由于左右旋圆偏振光的σ不同，对右旋圆偏振光产生的是发散的作用，正好实现了偏振态分离的功能。几何相位部分需要满足的相位分布设置为工作带宽中的最大波长λmax对应的聚焦相位分布，即为：

41、

42、由于要实现消色差的特性，即对每种波长都尽量满足该波长对应的聚焦相位分布，因此，传播相位部分需要弥补工作带宽中其它的波长与最大波长λmax之间的聚焦相位分布的相位差，即传播相位部分对应的实际相位需要满足的目标聚焦相位分布为：

43、

44、以上式子中的c3(λ)、c4(λ)和c5(λ)均为与波长有关的目标相位分布的常数项。

45、本发明在确定了最终的目标相位后，即可在介质柱尺寸与相位的关系数据库中匹配到最佳的介质柱尺寸。计算理想相位与实际能提供的最佳相位的差值即波像差，通过优化目标相位的常数项从而最大程度减小波像差。以波像差为评价函数，由于在考虑偏振分离作用时，重点在于考虑目标偏振态光的聚焦而对其正交偏振态光只要无聚焦功能即可，即对两者在计算总的波像差时有所偏重，所以综合考虑后实际需要的评价函数为：

46、

47、

48、其中，和分别为水平线偏振消色差超透镜和左旋圆偏振消色差超透镜的波像差，和均为在对应情况下纳米介质柱所能提供的实际相位，xi和yj分别为超透镜上介质柱的横坐标值及纵坐标值，n为需要拟合的波长数目。同时，瑞利判据表明当最大波像差不超过四分之一波长的值时即可认为实际波面是无缺陷的，且当缺陷部分占比较小时，即使波像差超过四分之一波长，这些局部的缺陷也可以被忽略。为了能更快找到最优的目标相位的常数项，可以通过粒子群优化算法加快搜索速度。

49、本发明对于垂直线偏振消色差超透镜和45°线偏振消色差超透镜，设计过程与水平线偏振消色差超透镜相似，不同之处在于在最后通过将每个纳米介质柱分别旋转90°和45°来实现最终设计。

50、本发明的有益效果为：

51、1、本发明基于空间复用的原理进行消色差超透镜的设计，四种不同的超透镜对应的纳米介质柱采用空间复用的方式进行交替排列，在保持原有尺寸和焦距的情况下产生了增大超透镜尺寸的效果，从而等效增大了数值孔径，提高了器件的分辨率。

52、2、本发明区别于现有的偏振相关超透镜的相位设计原理，提出了在考虑目标偏振态的聚焦作用的同时考虑对相应正交偏振态的发散作用，实现偏振态的分离，且相比之下对聚焦作用所赋予的比重更大，体现在粒子群优化算法的波像差评价函数上。

53、3、提出了在器件上集成由两种不同材料组成的布拉格反射器，偏振探测器件整体仅由两种材料组成。集成的布拉格反射器能够过滤出可见光中的器件的实际工作带宽，从而减小器件对于光源的需求依赖。