消色差超構表面復合透鏡

張 敏，陸詠諍，彭 嘉，文 靜

（上海理工大學 光電信息與計算機工程學院，上海 200093）

引 言

傳統光學器件因體積笨重等缺點無法滿足現代光學設備對光學系統集成化的要求，隨著超構表面的迅速發展，新一代微型光學系統的出現成為可能。超構表面是一種由人工設計的亞波長微納結構陣列，可對入射光的振幅、相位、偏振等進行調控[1-3]，已經實現了某些傳統光學器件的功能。例如光鑷[4-5]、光束分束器[6]、平面波片[7]、全息成像[8-12]和無衍射光束發生器[13-14]等。其中平面聚焦透鏡的色差問題不可避免，因此，設計高效的在寬波段工作的超構表面尤為重要。近年來，許多研究工作致力于超構表面的寬帶消色差，多個科研團隊已經實現并報道了多種不同的消色差超構表面及其調控機理[15-19]，例如基于傳播相位和幾何相位相結合對光場進行調控，進而實現消色差。傳統球面聚焦透鏡無法實現單透鏡消色差，只能通過級聯多個透鏡組合實現色差矯正。本文設計了一種基于光刻膠材料的Pancharatmane-Berry(PB)相位型超構表面[20]與傳統微透鏡相結合的消色差超構表面復合透鏡，通過FDTD Solutions軟件對該透鏡在780～980 nm工作波段進行仿真模擬，探索其聚焦性能及消色差效果。

1 原理與設計

傳統透鏡的焦距取決于透鏡的曲率半徑和材料的折射率，當半徑確定后，焦距隨折射率變化而變化。同一種材料，波長越短折射率越大，焦距越短，這種成像色差異被稱為位置色差，也叫軸向色差，單透鏡本身不能消色差，所以傳統透鏡系統完全矯正色差需要不同材料的多個透鏡組合，且對材料要求苛刻，加工難度大。……