摘要：為了提高太赫茲超透鏡成像的縱向容忍度，設計了一種純幾何相位全介質(zhì)長焦深超構(gòu)表面透鏡器件。采用純幾何相位自旋解耦的設計方法，并結(jié)合時域有限差分（FDTD）方法，對設計的超構(gòu)表面透鏡進行了數(shù)值仿真。研究結(jié)果表明，所設計的太赫茲超構(gòu)表面透鏡具有偏振可控和長焦深的特性，在沿著傳播方向上焦深達到了8mm，而普通超構(gòu)表面透鏡只有4.5 mm焦深。設計并數(shù)值仿真驗證了兩個太赫茲長焦深聚焦復用的超構(gòu)表面透鏡，并使得橫向復用的兩個長焦深焦點具有相互正交的偏振態(tài)。相關研究有望應用于層析成像和信息加密等方面。 引言光學超構(gòu)表面是超材料的二維體現(xiàn)，以能夠輕易地操控電磁波前和易于制造的優(yōu)勢受到了廣大研究者的研究。超構(gòu)表面通過在亞波長范圍內(nèi)引入相位的突變來調(diào)控光波的振幅，相位和偏振態(tài)。近年來已經(jīng)開發(fā)了越來越多的超構(gòu)表面器件，例如平面超構(gòu)透鏡，波片，分束器，全息超表面，渦旋光束研究。超構(gòu)表面是一種新型且能代替?zhèn)鹘y(tǒng)大尺寸元件的二維材料，在光學系統(tǒng)集成化，小型化方面有著潛在的應用。

長焦深透鏡具有高容忍成像的特點，主要實現(xiàn)方式有forward logarithmic axicon，axilens和light sword optical element 3種，包括徑向和角向相位調(diào)制。但是傳統(tǒng)透鏡往往采用光程來改變相位，聚焦的二次相位使得元件表面是一個凸面，對制造精度具有相當高的要求。超構(gòu)表面通過亞波長尺度改變光波的電磁屬性，相位調(diào)制是透鏡最重要的屬性，幾何超構(gòu)表面利用面內(nèi)旋轉(zhuǎn)角代表不同相位的優(yōu)勢克服了傳統(tǒng)透鏡制造精度不準的缺點，在平面內(nèi)就可以實現(xiàn)聚焦功能，因此基于幾何超構(gòu)表面長焦深透鏡的報道很多。

2018年，Zhang等利用幾何超構(gòu)表面實現(xiàn)角向相位調(diào)制的長焦深透鏡，該長焦深透鏡將兩種圓偏振態(tài)聚焦到軸上兩個位置，通過改變?nèi)肷涔獾钠駪B(tài)，實現(xiàn)焦距和焦深的動態(tài)可調(diào)。2019年，Zang等用幾何超構(gòu)表面實現(xiàn)聚焦相位的徑向調(diào)制，實現(xiàn)了偏振無關的長焦深透鏡并實驗上證實了縱向高容忍成像，雖然上述方法相比傳統(tǒng)方式更容易獲得長焦深透鏡，也具有對圓偏振態(tài)入射光的聚焦偏振轉(zhuǎn)化，比如左旋圓偏振光進入，聚焦的焦點的偏振狀態(tài)是右旋圓偏振，但是對線偏振態(tài)的偏振轉(zhuǎn)化以及橫向復用的多焦點長焦深透鏡還沒報道。本文提出了一種基于純幾何相位來設計超構(gòu)表面透鏡的方法，利用幾何相位自選解耦的方式融合偏振轉(zhuǎn)換相位，實現(xiàn)線偏振太赫茲波聚焦為長焦深焦點的同時，還可以調(diào)控聚焦點的線偏振狀態(tài)。同時兩個焦點的橫向復用極大地提高了偏振選擇成像的縱向容忍性和增加了加密信息通道。1 設計原理設計的超構(gòu)表面透鏡如圖1所示，線偏振太赫茲波入射到器件上，通過設計的器件后太赫茲波聚焦成一個焦深 Δf 的長焦深光斑，焦點范圍從 f 到 f+Δf，同時焦點的偏振態(tài)相對于入射線偏振態(tài)有一個旋轉(zhuǎn)角。設計的器件所組成的單元結(jié)構(gòu)具有各向異性，其光學特性可以用瓊斯矩陣表示為

圖1. 長焦深偏振轉(zhuǎn)換超構(gòu)表面透鏡示意圖

圖2. 超表面的單元結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖以及單個結(jié)構(gòu)透過率和轉(zhuǎn)化效率3 結(jié)論本文提出了一種基于幾何相位自旋解耦的新方法，設計了一種基于全介質(zhì)的長焦深與偏振可控的太赫茲超構(gòu)表面透鏡，這種超構(gòu)表面透鏡相比于傳統(tǒng)的超構(gòu)表面透鏡具有更長的焦深，同時還能對聚焦的太赫茲波焦點的線偏振態(tài)進行任意的調(diào)控。利用數(shù)值仿真軟件（FDTD）驗證了單個偏振旋轉(zhuǎn)的長焦深超構(gòu)表面透鏡和兩個長焦深焦點在橫向方向上的復用，仿真結(jié)果顯示單個焦點和雙焦點都具有8 mm的焦深長度和偏振可控的功能，相比于動力學相位設計方法，我們的方法可以在設計功能器件上面的單元結(jié)構(gòu)更加方便，并且所有的單元結(jié)構(gòu)具有相同的振幅和依靠旋轉(zhuǎn)角的相位。本文所設計的長焦深與偏振可控的超構(gòu)表面透鏡有望應用到層析成像和多通道信息加密等方面。

審核編輯 ：李倩