一种基于几何相位自旋解耦的新方法

摘要：为了提高太赫兹超透镜成像的纵向容忍度，设计了一种纯几何相位全介质长焦深超构表面透镜器件。采用纯几何相位自旋解耦的设计方法，并结合时域有限差分（FDTD）方法，对设计的超构表面透镜进行了数值仿真。研究结果表明，所设计的太赫兹超构表面透镜具有偏振可控和长焦深的特性，在沿着传播方向上焦深达到了8mm，而普通超构表面透镜只有4.5 mm焦深。设计并数值仿真验证了两个太赫兹长焦深聚焦复用的超构表面透镜，并使得横向复用的两个长焦深焦点具有相互正交的偏振态。相关研究有望应用于层析成像和信息加密等方面。  引言光学超构表面是超材料的二维体现，以能够轻易地操控电磁波前和易于制造的优势受到了广大研究者的研究。超构表面通过在亚波长范围内引入相位的突变来调控光波的振幅，相位和偏振态。近年来已经开发了越来越多的超构表面器件，例如平面超构透镜，波片，分束器，全息超表面，涡旋光束研究。超构表面是一种新型且能代替传统大尺寸元件的二维材料，在光学系统集成化，小型化方面有着潜在的应用。

长焦深透镜具有高容忍成像的特点，主要实现方式有forward logarithmic axicon，axilens和light sword optical element 3种，包括径向和角向相位调制。但是传统透镜往往采用光程来改变相位，聚焦的二次相位使得元件表面是一个凸面，对制造精度具有相当高的要求。超构表面通过亚波长尺度改变光波的电磁属性，相位调制是透镜最重要的属性，几何超构表面利用面内旋转角代表不同相位的优势克服了传统透镜制造精度不准的缺点，在平面内就可以实现聚焦功能，因此基于几何超构表面长焦深透镜的报道很多。

2018年，Zhang等利用几何超构表面实现角向相位调制的长焦深透镜，该长焦深透镜将两种圆偏振态聚焦到轴上两个位置，通过改变入射光的偏振态，实现焦距和焦深的动态可调。2019年，Zang等用几何超构表面实现聚焦相位的径向调制，实现了偏振无关的长焦深透镜并实验上证实了纵向高容忍成像，虽然上述方法相比传统方式更容易获得长焦深透镜，也具有对圆偏振态入射光的聚焦偏振转化，比如左旋圆偏振光进入，聚焦的焦点的偏振状态是右旋圆偏振，但是对线偏振态的偏振转化以及横向复用的多焦点长焦深透镜还没报道。本文提出了一种基于纯几何相位来设计超构表面透镜的方法，利用几何相位自选解耦的方式融合偏振转换相位，实现线偏振太赫兹波聚焦为长焦深焦点的同时，还可以调控聚焦点的线偏振状态。同时两个焦点的横向复用极大地提高了偏振选择成像的纵向容忍性和增加了加密信息通道。1 设计原理设计的超构表面透镜如图1所示，线偏振太赫兹波入射到器件上，通过设计的器件后太赫兹波聚焦成一个焦深 Δf 的长焦深光斑，焦点范围从 f 到 f+Δf，同时焦点的偏振态相对于入射线偏振态有一个旋转角。设计的器件所组成的单元结构具有各向异性，其光学特性可以用琼斯矩阵表示为

图1. 长焦深偏振转换超构表面透镜示意图

图2. 超表面的单元结构参数示意图以及单个结构透过率和转化效率3 结论本文提出了一种基于几何相位自旋解耦的新方法，设计了一种基于全介质的长焦深与偏振可控的太赫兹超构表面透镜，这种超构表面透镜相比于传统的超构表面透镜具有更长的焦深，同时还能对聚焦的太赫兹波焦点的线偏振态进行任意的调控。利用数值仿真软件（FDTD）验证了单个偏振旋转的长焦深超构表面透镜和两个长焦深焦点在横向方向上的复用，仿真结果显示单个焦点和双焦点都具有8 mm的焦深长度和偏振可控的功能，相比于动力学相位设计方法，我们的方法可以在设计功能器件上面的单元结构更加方便，并且所有的单元结构具有相同的振幅和依靠旋转角的相位。本文所设计的长焦深与偏振可控的超构表面透镜有望应用到层析成像和多通道信息加密等方面。  

审核编辑 ：李倩