超構(gòu)表面（metasurfaces）是一種新型的人工二維平面陣列結(jié)構(gòu)，通過合理設(shè)計亞波長納米結(jié)構(gòu)單元及排布可以實現(xiàn)對空間光場的調(diào)控，有望從原理層面上顛覆傳統(tǒng)的透鏡元件。然而，目前透射型超構(gòu)表面普遍存在光學(xué)效率低的問題，制約著其應(yīng)用和發(fā)展。

西安應(yīng)用光學(xué)研究所光學(xué)薄膜技術(shù)研究室的科研團隊提出了一種基于光學(xué)薄膜理論的高效透射型超構(gòu)表面設(shè)計方案。

先設(shè)計好超構(gòu)表面，然后根據(jù)等效介質(zhì)理論將超構(gòu)表面等效為一層介質(zhì)薄膜并作為多層膜系的最外層，最后設(shè)計與基底及入射介質(zhì)匹配的增透膜系。希望增加的光學(xué)膜層能提高光能利用率，但不改變超構(gòu)表面的其他光學(xué)性質(zhì)。

換句話說，超構(gòu)表面在實現(xiàn)聚焦或其他功能的同時，還能像傳統(tǒng)透鏡表面一樣兼容功能性光學(xué)薄膜，從而在性能上獲得進一步的提高和拓展。相關(guān)研究內(nèi)容以“基于光學(xué)薄膜的高效超構(gòu)表面研究”為題發(fā)表在《光學(xué)學(xué)報》期刊上。

本研究首次提出了通過利用光學(xué)薄膜來提高超構(gòu)表面效率的概念設(shè)想，研究了近紅外波段超構(gòu)表面透鏡的特性，并基于超構(gòu)表面附加功能性光學(xué)薄膜的性質(zhì)研究了增透膜對超構(gòu)表面透鏡透過率和聚焦性能的影響。

模擬計算結(jié)果表明：在1450~1600 nm波段，有光學(xué)增透膜的超構(gòu)表面透鏡的透過率遠高于無光學(xué)增透膜時的透過率，平均高10.5%以上；從聚焦效率對比結(jié)果來看，有光學(xué)增透膜的超構(gòu)表面透鏡的聚焦效率比無增透膜時的聚焦效率平均高8.3%以上，聚焦效率最高達88.5%。所提出的超構(gòu)表面結(jié)合光學(xué)薄膜的設(shè)想有望解決超構(gòu)表面普遍效率低的問題。

該技術(shù)可以應(yīng)用于平面透鏡、渦旋相位片、全息相位片、偏振轉(zhuǎn)換器和波長選擇器等領(lǐng)域，為超構(gòu)表面器件設(shè)計帶來新的思路。

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