以惠根斯原理设计工作波长为830nm的聚焦透镜,设计流程如下。
1.选材
基底层选用二氧化硅,结构层选择硅材料。这两种材料在包含830nm在内的近红外波段吸收较低。为了激发电磁偶极子,结构层材料选择硅等高折射率材料,产生惠更斯效应,且具有较高效率。图12-19所示为仿真模型,一般使用FDTD solutions、CST等仿真设计软件。
图12-19 基底为二氧化硅的表面超结构
2.对纳米结构进行宽谱扫描
尝试或者通过调研获得的模型结构参数,设置模型周期:高度、纳米结构的长宽(以方形纳米结构为例)等;然后对模型进行宽谱扫描,目的是验证该结构体系是否可能满足设计要求。
3.建立超原子库
一般来说,需要先确定纳米结构的周期和高度,先研究纳米结构的高度和周期对应共振峰位的影响以及相位的变化。
(1)高度H的变化:高度对电/磁偶极子共振峰位影响都较大,而且高度H越大,峰位越红移。
(2)周期P的变化:周期的变化对电/磁偶极子变化共振峰位影响都不大,但对一定频率的相位有一定影响。
(3)纳米结构长L、宽W,以及长L宽W同时变化。纳米结构长、宽的变化对磁偶极子的共振峰位影响不大,对于电偶极子共振峰位整体红移,并且在纳米结构的宽W变化时,其移动现象更明显。相位变化与上述情况一致。
在单波长的情况下,需要根据这一规律改变纳米结构内部电/磁偶极子共振峰位的位置,使共振重合区域的频率与830nm波长接近,进而进行对纳米结构长宽的精细扫描从而构建超原子库。
4.选择超原子
选出排列超原子所需的8个或者10个超原子。这里的超原子是根据上一步中建立的超原子库中选出来的。选择超原子的原则:满足所需的特定相位,并且透射率越高越好。表12-3所示为满足相位需求且透射率最高的解。(www.xing528.com)
表12-3 不同相位对应的LWPT超原子
5.构建超透镜
通过一定的算法将超原子库中的纳米结构以平面透镜对应的相位函数排列出来。
(1)明确透镜的相位函数:
其中,f为透镜的焦距,λ为对应的光波长830nm,φ0(λ)为常数,对应的相位分布如图12-3所示。
(2)根据相位函数将第4步选出的超原子进行排列。
这一步需要根据设计需求确定周期、焦距f、口径D、F数等参数,在此基础上完成超原子排列。图12-20所示为完成超原子排列后的结构版图照片。
图12-20 完成超原子排列之后的平面超透镜结构版图设计照片
初次建立超透镜后,其焦斑分布如图12-21所示,需要分析焦平面周边区域光强分布,并对焦斑尺寸及效率进行计算,最终分析结果与参数的关系。
图12-21 焦平面周边区域光强分布
(a)焦斑在x-z平面光强分布;(b)焦斑在x-y平面光强分布;(c)焦点半高宽(FWHM)
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