新型超表面结构设计:实现任意色散调控
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封面图来源:Light: Science & Applications
撰稿 | 柳维玮
导读
从牛顿利用三棱镜观察到复色光的色散现象到今天,色散在光学科学中有着悠久的历史。三棱镜的色散实验,被认为是由于复光中不同频率的折射率不同从而产生的色散现象。此外,对于衍射光栅和平面透镜也可以产生色散现象,这种色散现象的产生被认为是由于衍射所引起的,与材料无关。
马萨诸塞大学阿默斯特分校 Amir Arbabi 团队在在国际顶尖期刊Nature子刊 Light: Science & Applications 发表论文。他们从基本原理出发,创造性地提出了光学色散与其射线轨迹之间的关系,他们认为光线的轨迹变化是色散的原因。并且他们证实了,如果一个光学系统中所有光学射线轨迹具有相同的光学群长度(Optical Group Length, OGL),那么这个系统将不会产生色散。由此,他们根据射线轨迹不同导致色散产生这一关系,设计了一组可以增强或者消除色散的光学组件。
背景介绍
色散对光学成像是有害的,但是对光谱分析等系统而言又需要强烈的色散。因此对色散进行调控十分重要。
在工程中,产生色散的传统方法是利用不同材料串联起来获得不同的折射率,但这种方法所设计的光学元件不容易集成化也不利于大规模生产。超表面的出现给工程中的色散提供了新的方法。光学超表面是由散射体单元组成的二维阵列,可以取代传统元件,使得平面光学系统能够像半导体芯片一样大规模生产。
但是经过光学超表面光波的相位分布与波长无关,通过传统的串联方法来构造色散系统不能实现光聚焦。在几个离散波长上实现消除色散的方法已经实现,但是这却不适用于连续光谱。采用超表面消除色散的系统被限制在衍射-折射混合元件或利用元原子色散的小型超表面,它受到了衍射-折射混合元件尺寸及元原子质量因子的限制。
Amir Arbabi团队跳出了色散光学器件设计的固有思维,提出了采用选择合适的光线轨迹来实现增强色散或者消除色散的方法,并且利用光学超表面来设计色散系统,不仅使得宽频域范围的连续光谱的色散控制成为可能,而且摆脱了系统元件的尺寸限制,使其可以批量生产。
创新研究
作者首先提出了累积相位这一概念。累积相位不仅与光波的频率以及介质的折射率有关,而且还与光在介质中传播的距离相关。当光的频率改变时,总的累积相位则发生相应变化,而这一相位变化量可以由补偿的传播距离来表示。这样,就可以通过设计相同的光线轨迹长度,也就是相同的光学群长度(OGL),使其光学组件的累积相位相同,从而实现消除色散的光学系统。
3.1
垂直方向的色散
图1 双层超表面消除垂直方向色散示意图
图片来源:Light Sci Appl 9, 93 (2020) (Fig.2a)
他们针对550nm波长的光波进行设计,其效果如图2所示。图中,蓝线和红线所分别表示的是双层串联超表面和单层超表面光学偏转器控制色散的结果。由此可见,所设计的双层超表面结构有着良好的控制色散的效果,并且这个效果优于单层的超表面结构。
图2 双层超表面与单层超表面比较
图片来源:Light Sci Appl 9, 93 (2020) (Fig.2d)
3.2
轴向聚焦光束的色散
图3 双层环形超表面结构示意图
图片来源:Light Sci Appl 9, 93 (2020) (Fig.S1)
如图4所示,距离光轴最远的射线进入这个系统后偏转角度最大,从而获得了最长的OGL,同时这条光线从最靠近光轴的地方出来,在形成图像的空间中获得最短的OGL。相反,进入系统中最靠近光轴的光线偏转最小,离开系统时最靠近光轴的光线偏转最大,它在基片内获得最短的OGL,而在基片外获得最长的OGL。这样就使得两束光线很好地获得了相同的总OGL,也就满足了消除轴向聚焦光束的色散的条件。进一步,作者设计了高度消除色散的串联透镜,如图5上图所示。并且作者用仿真实验证明了光学扭转形透镜及高度消除色散透镜具有良好的效果,它们分别优于单层的超表面透镜即控制型透镜(控制型透镜示意图如图5下图所示)。
图4 双层环形超表面消除色散原理图
图片来源:Light Sci Appl 9, 93 (2020) (Fig.3a)
图5 高度消除色散透镜与单层透镜结构示意图
图片来源:Light Sci Appl 9, 93 (2020) (Fig.3f)
3.3
其他色散控制的结构设计
图6 光栅、超色散透镜及正消除色散透镜比较
图片来源:Light Sci Appl 9, 93 (2020) (Fig.4a)
除此之外,为了方便加工制造及满足测量方便等需求,作者还设计了同侧的超表面系统。如图7所示,两层超表面位于同一平面的左右两侧,底部利用金反射镜对光线进行反射,以此代替了之前位于对立两侧的双层超表面串联结构。之后,作者还简述了超表面的材料选择及制备方法。
图7 同侧双层超表面结构示意图
图片来源:Light Sci Appl 9, 93 (2020) (Fig.4b)
3.4
实验研究
最后,为了进一步证实超表面控制色散结构的有效性,作者进行了实验验证。实验装置及结果如图8所示。
图8 实验示意图及结果
图片来源:图片来源:Light Sci Appl 9, 93 (2020) (Fig.5)
应用与展望
作者推导了不同光波的路径与色散之间的关系,给我们提供了新的控制色散的方法。
通过设计不同光线路径获得不同的OGL,从而可以设计使色散消除或者使色散增强的超表面结构。由三个或三个以上的超表面组成的结构可以提供足够多的自由度来调制高阶色散,从而使一类新的光学系统能够实现更高期望的色散响应。这对摄影、天文和显微镜的宽带成像系统消除色散,以及帮助对分光计或者光谱分析仪等光学仪器产生强烈色散方面有着很高的应用价值。
文章信息:
https://doi.org/10.1038/s41377-020-0335-7
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