相位型平面超透镜及其光束离轴扫描特性的研究

The development of an novel approach which could break the Rayleigh Criterion (0.61/NA) and realize a sub-diffraction limit focusing and imaging in far field is very important to not only the scientific research but also the industrial communities. During the past decades, great effort has been made to break this barrier, however, all those reported super-resolution techniques suffer from some limitations for general applications, such as short working distance, works for narrow-class of samples, and inconvenience for miniaturization/integration, etc. Recently, the planar metalens shows to be an effective approach, due to the theoretical innovation, flexible design, high efficiency, integratable and so forth merits. On the basis of our previous works, this project propose to develop a new type planar metalens which could produce sub-diffraction limit focusing in far field with high efficiency. Through controlling the interference condition, it will realize a sub-diffraction limit focusing spot in target plane with its lateral size <0.40λ. By constructing the planar metalens in phase type, high utilization efficiency (>80%) for the irradiation beam could be achieved. In addition, through cascading a correcting layer, the off-axis aberration issue will be solved, thus forming a doublet metalens with wide angle scanning property (azimuthal angle>±30deg). This project will be of great benefit to the far-field super-resolution imaging, micro/nano laser fabrication and ultrahigh density recording.

突破瑞利衍射极限（0.61λ/NA），实现纯光学的远场超衍射极限聚焦和成像在科学和工程的各个领域都有重要意义。现有光学超分辨技术都存在一些固有的限制因素，如工作距离短，适用领域窄，不利于集成等问题。近年来平面超透镜（planar metalens）由于理论上的创新，设计灵活，效率高，方便集成等优势，成为实现该突破的有效途径。在前期研究的基础上，本项目拟开发一种高效超衍射极限平面透镜。拟通过调制相干条件，使得透镜在焦平面处获得亚波长的聚焦效果（<0.40λ）。采用相位型的构型设计，实现对入射光的高效利用（>80%）；通过设计双共振层位相调控的方式来矫正离轴像散和彗差的问题，实现平面超透镜对照明光的大角度离轴扫描特性(方位角>±30度)。该项目的研究对实现纯光学的远场超分辨成像，高精度光学纳米加工技术以及高密度光存储器件等方面具有重要意义。

突破光学衍射极限，实现远场超衍射极限光学聚焦，对纯光学的远场超分辨成像，高精度光学纳米加工技术以及高密度光存储器件等方面具有重要意义。现有光学超分辨技术都存在一些固有的限制因素，如工作距离短，适用领域窄，不利于集成等问题。平面超透镜具有设计灵活，效率高，方便集成等优势，成为实现该突破的有效途径。本项目研究了一种消离轴像差平面超临界透镜，通过结构设计合理调控相干条件，在焦场上实现了亚波长的光学聚焦，并通过结构优化矫正了离轴像差，实现了大角度离轴照明条件下的超衍射极限聚焦特性。主要研究成果包括：.（1）针对传统光线折射理论的像差优化方法无法突破衍射极限的科学问题，本项目基于更严格的矢量衍射理论，利用matlab工具开发了适用于超衍射极限条件下消像差的算法和程序，在远场焦平面上获得了30度角视场内的消像差超衍射极限聚焦焦斑。.（2）针对传统二元强度型平面超衍射极限透镜能量利用效率较低的问题，本项目提出了多级相位平面超临界透镜的设计方法。理论和实验结果表明，在保持焦斑超衍射极限特性的条件下，提高能量利用效率7.2倍。.（3）在透镜阵列应用方面，本项目提出并实验证明了一种大数值孔径超临界透镜阵列，它可以在远场实现亚衍射限制焦斑点阵。所有焦点的光强分布具有良好的均匀性，横向尺寸约为0.75倍艾里斑尺寸。.（4）为推动平面超衍射极限透镜在光学集成应用上的可行性，本项目基于单层二维材料体系，研究了其损耗辅助的相位调控机制，理论和实验验证了原子层厚度的平面超临界透镜及其远场超衍射极限聚焦能力。.以上研究内容和成果对于推动平面超衍射极限透镜在光学信息处理和远场超分辨成像应用方面起到重要的推动作用。在项目实施期内，项目负责人和主要参与者共发表与项目相关并标注项目基金号的论文16篇，其中SCI一区文章8篇。在国内外学术会议上做邀请报告5次，口头报告2次。