基于电介质超表面的具有偏振不依赖特性的高效率光学器件研究

In recent years, the research of metasurfaces has aroused the tremendous attention in academic community, and a series of functional devices based on metasurfaces are developed. In this project, polarization-independent high-efficiency beam deflectors and metalens will be designed through investigating the working principle of high-efficiency dielectric metasurfaces and exploring the essential reason of the polarization-independence by theoretical derivation, which provides theoretical bases and technical support for pushing on the practical application of metasurfaces and the development of integrated optics. First, we will deduce geometric structures of metasurfaces with polarization-independence, and design eight polarization-independent silicon resonators with the transmission up to 95% and the whole phase shifts from 0-2π. Then, polarization-independent high-efficiency beam deflectors will be designed. Finally, polarization-independent high-efficiency metalens will be designed.

近年来，超表面的研究引起了学术界的广泛关注，涌现出一大批基于超表面研发的功能器件。本课题主要通过研究高效的电介质超表面的工作原理，以及通过理论推导探究偏振不依赖特性的本质原因，设计具有偏振不依赖特性的高效率光束偏转器和超透镜，为推动超表面的实际应用和集成光学的发展提供理论与技术支持。首先，推导出具有偏振不依赖特性的超表面的几何结构，设计出八个透射率高达95%、相移可以覆盖0-2π，且具有偏振不依赖特性的硅共振器。然后，设计具有偏振不依赖特性的高效率光束偏转器。最后，设计具有偏振不依赖特性的高效率超透镜。

超表面作为一种新型的二维结构，近几年来引起学者广泛关注，它可以通过改变共振单元的几何形状来控制出射光的相位、振幅和偏振态，实现奇异的电磁特性。本项目主要研究了高效的电介质超表面的工作原理，理论推导了具有偏振不依赖特性超表面单元的几何特征，设计了八个透射率高达95%、相移可以覆盖0-2π的具有偏振不依赖特性的椭圆形硅共振器。基于此设计了具有偏振不依赖特性的光束偏转器，分别讨论了晶格常数以及入射角度对光束偏转器偏转特性以及偏振不依赖特性的影响。另外，还设计了具有偏振不依赖特性的超透镜，同时也深入研究了超透镜的宽谱特性以及色差现象的原因。本项目也提出了一种基于不旋转的纳米砖实现偏振不依赖的超表面器件的方法，并设计了偏振不依赖的光束偏转器，超透镜和涡旋光束发生器。这些研究成果将促进超表面在微纳领域的实际应用和发展。在本项目的资助下，我们共发表了5篇SCI学术论文，圆满完成科研任务。