基于贝塞尔光束损耗的超衍射聚焦超构透镜
2022-06-26 08:59:11   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

据麦姆斯咨询报道，西北工业大学物理科学与技术学院赵建林教授研究团队于2022年2月在IEEE Photonics Journal期刊上发表了基于贝塞尔光束（Bessel beam）损耗的超衍射（subdiffraction）聚焦超构透镜（metalens）的论文，文中提出的方法有望为设计集成、紧凑的控制光场传播的器件开辟一条新的途径。

开发突破理论极限的聚焦技术一直是光学和光子学领域的研究热点。人们已经提出了许多具有超衍射分辨率的里程碑技术，如近场光学扫描显微镜、受激辐射损耗和表面增强拉曼散射等，它们极大地促进了光学成像的发展。与这些方法相比，远场无标记超分辨率（superresolution）聚焦技术在活体成像和精细处理方面都更为重要。

超振荡（superoscillation）是指带限信号的局部振荡频率大于最大频率的一种典型现象。在光学领域，Berry和Popescu首先介绍并指出光场通过亚波长光栅衍射后可以产生任意小的空间能区，即光学超振荡。2007年，Zheludev利用准周期结构的金属纳米孔阵列，首次通过实验观察到了这一典型现象。随后，人们提出了一系列致力于改善超振荡性能的光学器件。例如，效率较高的具有二值振幅和相位组合掩模的同心圆构成的金属和介电掩模，以及末端具有复杂振幅调制结构的光纤。近年来，快速发展的超构表面（metasurface）能够在亚波长尺度内同时调制波前的偏振、振幅和相位，由于其多参数调制能力，为超振荡光场的发展带来了新的机遇。

在本论文中，作者们提出了一种基于贝塞尔光束损耗的介电超衍射聚焦超构透镜。与传统的二值波前调制元件不同，这种超构透镜是根据由基本的贝塞尔光束损耗而形成的超衍射焦场的逆向工程设计的。该超构透镜具有介电超构表面的独立振幅和相位控制能力，能够突破衍射极限，并能产生半峰全宽（FWHM）为0.3λ/NA的焦点。这项研究工作有望为设计集成、紧凑的光子器件提供一个平台，以控制与圆偏振相关的光场传播和自旋角动量。

图1 超衍射聚焦超构透镜的基本原理示意图

图1显示的是超衍射聚焦超构透镜的基本原理。如图所示，圆偏振光场垂直照射超构透镜，复振幅调制下的输出场在焦场中产生一个超衍射焦点。考虑到圆形光阑的衍射特性，作者们利用贝塞尔函数来设计掩模。

图2（a）、（b）超衍射聚焦超构透镜的扫描电子显微图像及其局部放大图像。（c）实验设置。

图2（a）和2（b）显示了根据掩模的复振幅制造的超构表面。实验采用图2（c）所示的设置进行。一束来自二极管泵浦固态激光器（波长为670 nm，束腰w_o = 1 mm）的线偏振光束，在通过四分之一波片后，垂直入射到超构透镜上。超衍射焦场在超构透镜的焦平面上产生。论文作者们使用由20×物镜、镜筒透镜（f = 20 cm）和分辨率为1280 x 960、像素尺寸为3.75μm × 3.75μm的CMOS相机构成的显微测量系统来表征这些特殊场。

图3（a）焦平面中的横向和（b）x轴和（c）y轴光强分布

图3显示了实验结果。其中，图3（a）、（b）和（c）分别显示了视场内横向、x轴和y轴的光强分布。如图所示，沿x轴和y轴的实验焦点的FWHM分别为w_x = 1.6 μm和w_y = 1.2 μm。这里，作者们根据w_x定义有效的FWHM，即FWHM = 0.3λ/NA。这个焦点的尺寸明显小于最大光谱分量的尺寸，表明文中提出的超构透镜具有超振荡聚焦能力。

论文信息：

Y. Li, X. Fan, P. Li and J. Zhao, "Subdiffraction Focusing Metalens Based on the Depletion of Bessel Beams," in IEEE Photonics Journal, vol. 14, no. 1, pp. 1-5, Feb. 2022, Art no. 6512805.

DOI: 10.1109/JPHOT.2022.3144398

延伸阅读：

《超材料和超表面技术及市场-2021版》