基于介质超表面的中红外双波长聚焦透镜研究.pdf

哈尔滨工业大学理学硕士学位论文

摘要

中红外多波长探测技术在分子吸收光谱、热成像、遥感以及自由空间通讯等领

域应用广泛。然而传统的中红外探测系统结构复杂、体积大、能耗高，这违背了光

学系统的小型化、轻量化趋势。近年来超表面这种具有亚波长结构的平面元件凭借

着其可以灵活地调控入射光的相位、振幅以及偏振的特点得到广泛研究。超表面的

紧凑尺寸和多功能的特点使它们有望在一定程度上减少光学元件体积甚至是替代

传统光学元件系统。尽管目前超表面已经得到广泛研究，但中红外多波长聚焦超构

透镜仍少有人研究。为了探索紧凑的中红外多波长探测成像系统，本文设计了多种

可以对波长为4m与10.6m的入射光进行聚焦的全硅超构透镜。

首先对基元结构进行参数扫描以建立基元库，分析了任意基元对入射光的相

位延迟、透过率和偏振转换效率，接下来从得到的基元库中挑选符合条件的基元结

构进行优化设计，形成超构透镜的空间排布，最后采用时域有限差分方法对设计的

超构透镜进行仿真研究。主要研究内容如下：首先，采用单周期单基元方法分别基

于传输相位原理与几何相位原理设计可以实现双波长线偏振光与圆偏振光聚焦的

超构透镜。其次，对于单周期单基元方法存在的基元结构复杂以及找不到合适结构

的问题，采用单周期空间复用方法分别基于传输相位原理与几何相位原理设计可

以实现双波长线偏振光与圆偏振光聚焦的超构透镜。最后，为了提升设计的超构透

镜的聚焦效率并降低结构深宽比，提出了双周期空间复用方法，该方法中调控两个

波长的基元具有不同的周期，并采用该方法设计了与前文具有类似口径和焦距的

双波长聚焦超构透镜，设计的超构透镜的仿真结果对比证明了提出方法的可行性。

本论文设计的超构透镜可以对波长为4m以及10.6m的入射光进行聚焦，

在此工作的基础上可以实现中红外波段其它波长的多功能超构透镜。这为中红外

波段多波长通道光学透镜系统的设计提供了新的思路。此外，提出的设计方法也可

以运用在其它波段以降低超表面的设计难度并提升其工作效率。

关键词：超构透镜；中红外；聚焦；空间复用；传输相位

-I-

哈尔滨工业大学理学硕士学位论文

Abstract

Mid-infraredmultiwavelengthdetectionandimagingtechnologyiswidelyusedin

variousfieldssuchasmolecularabsorptionspectroscopy,thermalimaging,andfreespace

communication.However,traditionalmid-infrareddetectionandimagingsystemsare

complex,bulky,andrequirehighenergyconsumption,whichgoesagainstthetrendof

miniaturizationandlightweight.Recently,thequicklydevelopingmetasurfacesbasedflat

opticsprovideusanewapproachtoreducethevolumeofopticalcomponentsystems.

Themetasurfacescanflexiblyadjustthephase,amplitude,andpolarizationofincident

lightbychangingtheshapeandsizeoftheunitcell.Thecompactsizeofmetasurfaces

promisestoreplacetraditionalopticalcomponentsystemstosomeextent.Although

metasurfaceshavebeenwidelystudied,