本發(fā)明涉及光學(xué)超構(gòu)表面，具體涉及一種雙波段內(nèi)能夠在不同焦距位置分別實(shí)現(xiàn)聚焦成像與渦旋光束調(diào)控的雙功能超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：

1、在現(xiàn)代光學(xué)成像與檢測(cè)領(lǐng)域，傳統(tǒng)折射光學(xué)系統(tǒng)依賴曲面透鏡的組合實(shí)現(xiàn)光場(chǎng)調(diào)控，但其固有的體積臃腫、色散調(diào)控能力局限及功能單一性缺陷，始終制約著精密光譜分析、便攜式成像設(shè)備等領(lǐng)域的技術(shù)突破。例如，高分辨率細(xì)胞觀測(cè)需要可見光波段的精準(zhǔn)聚焦以捕捉亞微米級(jí)結(jié)構(gòu)，而組織深層成分分析則依賴紅外波段的光譜穿透能力，傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)往往需要兩套獨(dú)立設(shè)備分別完成成像與光譜檢測(cè)，導(dǎo)致設(shè)備體積龐大且光路校準(zhǔn)復(fù)雜；在工業(yè)在線檢測(cè)場(chǎng)景中，透明器件的缺陷檢測(cè)既需要可見光聚焦實(shí)現(xiàn)表面形貌成像，又需通過波長(zhǎng)依賴的縱向色散分布獲取材料內(nèi)部折射率分布，傳統(tǒng)方案因器件功能單一性難以滿足實(shí)時(shí)多參數(shù)檢測(cè)需求；在安防監(jiān)控領(lǐng)域，復(fù)雜環(huán)境下的目標(biāo)識(shí)別既需要可見光圖像的紋理信息，又依賴紅外渦旋光場(chǎng)對(duì)低對(duì)比度物體的邊緣增強(qiáng)能力，現(xiàn)有分立器件組合不僅增加系統(tǒng)功耗，還因光路配準(zhǔn)誤差導(dǎo)致檢測(cè)效率下降。上述多場(chǎng)景應(yīng)用的技術(shù)瓶頸，本質(zhì)上源于傳統(tǒng)光學(xué)器件在功能集成度、波段兼容性及系統(tǒng)微型化方面的固有局限。

2、傳統(tǒng)光學(xué)成像體系依賴曲面透鏡、棱鏡等三維元件的組合實(shí)現(xiàn)光場(chǎng)調(diào)控，其核心缺陷在于：?jiǎn)我黄骷δ芄袒?如聚焦透鏡難以同時(shí)生成渦旋光場(chǎng))、色散調(diào)控依賴多材料組合(導(dǎo)致系統(tǒng)體積隨功能增加呈指數(shù)級(jí)膨脹)、跨波段功能復(fù)用能力缺失(不同波段需獨(dú)立光路設(shè)計(jì))。例如，傳統(tǒng)色差校正系統(tǒng)需通過多個(gè)透鏡的組合補(bǔ)償色散，僅能實(shí)現(xiàn)有限波段的消色差聚焦，若需同時(shí)集成渦旋光生成功能，需額外增加空間光調(diào)制器等體積龐大的有源器件，嚴(yán)重制約了便攜式設(shè)備的開發(fā)。

3、超構(gòu)表面的出現(xiàn)為突破上述瓶頸提供了解決方案。超構(gòu)表面是由周期性亞波長(zhǎng)金屬或介質(zhì)結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成的平面器件，通過相位調(diào)控理論與納米加工技術(shù)的結(jié)合，可在百納米厚度內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)光場(chǎng)振幅、相位、偏振及色散特性的全維度操控。相較于傳統(tǒng)器件，其核心優(yōu)勢(shì)在于：平面化結(jié)構(gòu)天然適配微型化集成需求(厚度僅為傳統(tǒng)透鏡的1/1000)、多功能復(fù)用能力突破單一器件功能限制(單個(gè)超表面可同時(shí)加載多個(gè)波段的獨(dú)立調(diào)控相位分布)、色散調(diào)控精度達(dá)到亞波長(zhǎng)量級(jí)(支持不同波長(zhǎng)光場(chǎng)在縱向傳播路徑上的差異化設(shè)計(jì))。這些特性使其在微納光學(xué)系統(tǒng)構(gòu)建中展現(xiàn)出不可替代的潛力，例如在智能手機(jī)攝像頭中替代傳統(tǒng)多透鏡組實(shí)現(xiàn)輕薄化成像，或在芯片級(jí)光譜儀中集成分光與聚焦功能。

4、然而，現(xiàn)有超構(gòu)表面器件普遍存在跨波段功能集成能力不足的技術(shù)短板：?jiǎn)我黄骷ǔH針對(duì)可見光或紅外光單波段設(shè)計(jì)，且功能限于聚焦、光束偏轉(zhuǎn)等基礎(chǔ)光場(chǎng)調(diào)控，難以在雙波段同時(shí)實(shí)現(xiàn)聚焦(用于成像)與渦旋光場(chǎng)生成(用于邊緣檢測(cè))的復(fù)雜功能組合，更缺乏對(duì)不同波長(zhǎng)光場(chǎng)在縱向傳播方向上的色散差異化調(diào)控能力，如讓可見光與紅外光在不同軸向位置實(shí)現(xiàn)功能輸出。這導(dǎo)致在實(shí)際應(yīng)用中，多波段多功能檢測(cè)系統(tǒng)仍需采用多個(gè)分立超構(gòu)器件的組合方案，不僅增加系統(tǒng)復(fù)雜度，還可能因器件間的耦合效應(yīng)引入噪聲。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)以上現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明的目的是提供一種雙波段內(nèi)實(shí)現(xiàn)雙功能的超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以在不同波段范圍內(nèi)分別實(shí)現(xiàn)光束聚焦成像與渦旋光束調(diào)控的功能，并確保兩者互不干擾。本發(fā)明的另外一個(gè)目的是提供一種該超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法。

2、本發(fā)明結(jié)構(gòu)采用的技術(shù)方案為：

3、一種雙波段可調(diào)功能色散的超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)，由超胞單元排列構(gòu)成，所述超胞單元在雙波段內(nèi)的相位分布不連續(xù)，使得超構(gòu)表面上任意點(diǎn)在焦平面(x',y',f)中的相位分布為：

4、

5、其中，(x,y)表示超構(gòu)表面上每個(gè)超胞單元的坐標(biāo)；f表示焦距，λ是入射平面波的波長(zhǎng)，eilθ為渦旋項(xiàng)，l表示渦旋拓?fù)浜蓴?shù)，θ表示方位角，i為虛數(shù)。

6、進(jìn)一步地，所述超胞單元由一對(duì)各向異性的納米結(jié)構(gòu)組成。

7、進(jìn)一步地，所述超胞單元由兩個(gè)橢圓形的納米柱組成，兩個(gè)納米柱的柱高相同，并且相對(duì)于水平方向的旋轉(zhuǎn)角度相同，但是其橢圓的長(zhǎng)軸和短軸的尺寸均不同。

8、優(yōu)選地，所述納米柱的柱高為1.5μm。

9、優(yōu)選地，兩個(gè)納米柱的間距為60nm。

10、優(yōu)選地，橢圓的長(zhǎng)軸尺寸為60nm～340nm，短軸尺寸為40nm～120nm。

11、優(yōu)選地，超胞單元的排列周期為400nm。

12、本發(fā)明還提供一種對(duì)上述雙波段可調(diào)功能色散的超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，包括如下步驟如下：

13、步驟1，基于時(shí)域有限差分法對(duì)具有不同幾何參數(shù)的超胞單元進(jìn)行相位計(jì)算與掃描，獲得相位庫；

14、步驟2，通過遺傳算法對(duì)超胞單元進(jìn)行優(yōu)化，其優(yōu)化過程包括：先計(jì)算四個(gè)邊緣波長(zhǎng)下目標(biāo)光場(chǎng)所需的相位，其中未知量為焦距與相位補(bǔ)償；然后在所述相位庫中尋找并確定最符合相位庫數(shù)據(jù)的光場(chǎng)參數(shù)，包括縱向拉開的兩個(gè)焦距與四個(gè)邊緣波長(zhǎng)所對(duì)應(yīng)的三個(gè)相位補(bǔ)償；最后利用幾何相位確定超胞單元的旋轉(zhuǎn)角度；

15、步驟3，對(duì)步驟2獲得的光場(chǎng)參數(shù)進(jìn)行分析驗(yàn)證，查看其出射光場(chǎng)是否符合可見光波段內(nèi)聚焦且在紅外波段內(nèi)生成攜帶軌道角動(dòng)量的渦旋光束并保證縱向焦距差的設(shè)計(jì)要求。

16、本發(fā)明基于超表面針對(duì)可見光與紅外光進(jìn)行相位調(diào)控，實(shí)現(xiàn)了可見與紅外寬波段聚焦與渦旋調(diào)控的雙功能集成化設(shè)計(jì)。其主要優(yōu)勢(shì)如下：

17、(1)本發(fā)明設(shè)計(jì)的超構(gòu)表面屬于平面結(jié)構(gòu)，無需通過加工復(fù)雜曲面和粘合不同色散透鏡來實(shí)現(xiàn)，工藝復(fù)雜度低，工序簡(jiǎn)單，成本也更加低廉。

18、(2)本發(fā)明通過相位調(diào)控矩陣的跨波段獨(dú)立設(shè)計(jì)，在單一超構(gòu)表面同時(shí)加載可見光聚焦相位與紅外渦旋光場(chǎng)生成相位，首次實(shí)現(xiàn)雙波段功能并行調(diào)控。通過精確設(shè)計(jì)超構(gòu)表面單元結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)與相位響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)多功能協(xié)同控制，確保不同功能在空間上相互獨(dú)立、互不干擾，同時(shí)有效提升整體光學(xué)效率與器件集成度。

19、(3)本發(fā)明采用相位拆分原理，通過在超構(gòu)表面上合理分配不同區(qū)域的相位分布，實(shí)現(xiàn)聚焦成像與渦旋光束調(diào)控的功能解耦。采用遺傳優(yōu)化算法進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，通過迭代進(jìn)化的方法選擇最優(yōu)單元結(jié)構(gòu)，以確保在不同功能區(qū)域內(nèi)獲得最佳的光學(xué)性能，提高光場(chǎng)調(diào)控的精度和效率。

20、(4)本發(fā)明創(chuàng)新引入縱向傳播方向的色散拉開機(jī)制，通過相位拆分原理與遺傳算法優(yōu)化，使不同波長(zhǎng)光場(chǎng)在軸向傳播路徑上的功能輸出位置精確分離(如可見光聚焦于近場(chǎng)實(shí)現(xiàn)表面成像，紅外渦旋光場(chǎng)在遠(yuǎn)場(chǎng)完成邊緣信息提取)。該特性為透明物體的波長(zhǎng)依賴層析成像提供關(guān)鍵技術(shù)支撐，可在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域解析組織切片的深度光譜響應(yīng)差異(如腫瘤細(xì)胞與正常細(xì)胞的折射率分布)，或在工業(yè)檢測(cè)中實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體晶圓、光學(xué)薄膜等透明器件的內(nèi)部缺陷三維定位，突破傳統(tǒng)成像技術(shù)對(duì)樣本表面信息的檢測(cè)局限。

21、(5)本發(fā)明能夠在單片超構(gòu)表面上集成多功能光學(xué)調(diào)控能力，為小型化、集成化的高分辨成像與邊緣增強(qiáng)檢測(cè)系統(tǒng)提供了新的技術(shù)方案。

22、(6)本發(fā)明基于超構(gòu)表面的多功能集成設(shè)計(jì)，相較于傳統(tǒng)需要多個(gè)器件串聯(lián)的方式，大幅簡(jiǎn)化了光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低體積與對(duì)準(zhǔn)難度，同時(shí)提升了系統(tǒng)穩(wěn)定性與集成度。