[0001] 本发明涉及超表面光学元件设计技术领域，特别是涉及一种消扫描角度色散自修正焦点扫描超透镜的设计方法。

[0002] 超表面材料，是一种具有特殊结构和性质的人工制造材料，其特点是在微观尺度上具有优异的电磁响应特性。它的独特之处在于，通过精确设计和排列微观单元结构，可以实现对电磁波的精确控制和操纵，包括光的传播、反射、吸收、透射等。而由这种新型材料对光场的相位和振幅进行调控得到的透镜即超透镜。

[0003] 超表面结构不仅可以改变光的相位，振幅，偏振，还可以使多个器件集成在一个超表面衬底上，这使大规模集成光学应用成为可能。基于几何相位设计的超透镜已经实现消色差，亚分辨率聚焦等功能。但是这些设计都没有解决光源的问题，四分之一波片的加入导致入射光能量被削减，在扫描过程中无法自动修正轴向的离轴误差。

[0004] 另外，目前超透镜的三维扫描系统常常需要庞大而复杂的光学元件和机械结构，存在系统体积较大、能耗高等缺点。

[0042] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0043] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

[0044] 实施例一

[0045] 如图1所示，本发明提供了一种消扫描角度色散自修正焦点扫描超透镜的设计方法，包括以下步骤：

[0046] 步骤100：通过扫描参数的方式构建人工原子库；

[0047] 步骤200：根据人工原子库，基于超表面的相位分布设计得到级联超透镜；

[0048] 步骤300：通过全波仿真与实验验证测试所述级联超透镜的功能，分别得到全波仿真结果与实验验证结果；

[0049] 步骤400：判断全波仿真结果与实验验证结果的一致性，得到基于级联超表面的消扫描角度色散自修正焦点扫描超透镜结构。

[0050] 其中，在步骤100中，选择一组对0.6THz波具有高传输效率的全介质人工原子。这些人工原子的设计能够覆盖所需的相移范围(0‑2π)，从而实现对焦点位置的精确控制。具体包括：

[0051] 参照图2，人工原子由两个具有方形横截面的硅柱组成，分别沉积在连续性硅隔板的不同面上。底部硅柱主要用于减少人工原子对太赫兹波的反射，而顶部部分则通过改变横截面边长(w1)来实现传输相位的累积。因此，还需要优化顶部硅柱的截面边长(w1)和厚度(h1)，以确保人工原子能够产生所需的相移。同时，通过优化底部硅柱，能够使得人工原子获得高透明度。需要注意的是，为了便于后续加工和处理，需选择总厚度为h1+h2+h3＝500μm的硅片作为基底材料。

[0052] 而顶部硅柱的设计在于：对于正入射的太赫兹波，人工原子的传输特性与相位随顶部硅柱的两个几何参数w1和h1变化，其他参数固定为h2＝130μm，P＝140μm。而在顶部硅柱的几何参数变化范围内，人工原子均能获得高透射率，并且对于给定的h1＝310μm通过改变w1的值可以很好的获得2π的相移覆盖。

[0053] 其次，底部硅柱也会产生对人工原子的透射率与相位的影响，使用时域有限差分(FDTD)模拟可以获得整个人工原子的透射率与相位的值随w1和w3的变化，底部硅柱的高度固定为h3＝60μm(由总厚度及h1，h2所决定)。而通过加入底部硅柱可以在保证人工原子相位覆盖0～2π的同时有效地提高人工原子的透射率。因此，取w3＝80μm并通过改变w1可以根据所需的相位快速挑选出人工原子，以形成超表面器件。

[0054] 最后，确定人工原子参数后，通过改变w1可以得到与之一一对应的透射相位，从而建立人工原子库以便于快速挑选出合适的人工原子，在超表面的不同位置处产生不同的相位突变。建立好人工原子库之后，将超表面的相位分布离散化(由人工原子的周期性决定)，并挑选出合适的人工原子组成两层超表面进行全波仿真验证。

[0055] 其中，在步骤200中，进行全波仿真的过程，具体包括：

[0056] 首先，将求解的参数组合M，带入超表面的相位分布中得到超表面在每一点处所需满足的相位分布(由于人工原子的周期性，我们将相位分布按照周期为P＝140μm离散化)。接着，从人工原子库中筛选出所需要的，按照相位分布进行排列从而构成这上下两层超表面。最后，将这两层超表面上下级联，并设置频率为0.6THz的高斯光源作为入射光，波矢方向垂直于最下层超表面向上，得到超透镜的仿真模型。另外，由于此时超透镜是非周期性的，因此边界条件x和y方向都为open，z方向则为完美匹配层openaddspace，这里超表面采用圆形进行仿真，是为了便于旋转操作，两层超表面之间的距离选择为d＝300μm，来消除衍射效应(衍射效应可能导致Φtot(c,r)偏离ΣΦi(ri))以确保整个系统的稳定性。

[0057] 将上述仿真条件设置完成后，对超透镜进行全波仿真，得到了在0.6THz频率下，对应于不同转角差(ΔC＝0°，10°，20°，30°)时形成的焦点(焦点的位置定义为电场归一化强度最大处)。此处将超表面的转角和锁定为Cav＝0，以控制焦点在xy面内沿着x方向移动。

[0058] 参照图3，图3分别给出了在不同转角差下焦点在xz面的电场强度分布。当ΔC＝0°时，焦点的横向位置在(0,0)处，此时焦点的扫描角度为零，与理论非常吻合。随着转角差ΔC的逐渐增加，焦点的强度逐渐降低，形状逐渐被拉长，焦点的横向位置逐渐远离正出射时的位置。在不同转角差(ΔC＝0°，10°，20°，30°)处焦点的位置分别为(0,0,3.95)、(0.75,0,4.025)、(1.55,0,4.025)，(2.3,0,3.95)，数值孔径为0.53。显然，该全波仿真结果可以证明得到的超透镜可以通过独立旋转单层超表面来控制焦点在同一焦平面内扫描，很好的消除了扫描过程中焦点轴向位置随扫描角度变化而产生的色散。

[0059] 为了进一步展示焦点位置随着转角差Δa的变化在焦平面内的扫描，以及焦平面内焦斑的性能，如图4所示，给出了在xy面(z＝4mm)内的电场归一化强度分布和相应的横向强度分布。随着转角差Δa的逐渐增加，焦点沿着+x方向逐渐移动，远离正出射时的位置，在不同转角差处对应的焦点半峰宽分别为530μm、550μm、620μm、700μm。

[0060] 其次，在步骤300中还包括实验验证，实验验证过程具体包括：

[0061] 通过所述级联超透镜的仿真模型制作实验样品；

[0062] 采用光刻套刻的方法对得到的实验样品进行加工处理；

[0063] 将加工处理后的实验样品固定在特定样品台上，并对实验样品进行上下级联，得到所述级联超透镜；

[0064] 通过伺服电机控制样品台的旋转，并基于太赫兹时域光谱技术对所述级联超透镜进行实验，获取不同转角差时形成的焦点；

[0065] 基于不同转角差，确定焦点的位置及扫描角度，以得到实验验证结果。

[0066] 其中，光刻套刻技术为一种基于光化学反应的技术，通过在硅表面涂覆感光胶，然后利用光刻机将模板上的图案投影到感光胶上，形成光刻图案。然后通过将光刻图案暴露于化学腐蚀或离子束刻蚀中，从而在硅表面形成所需的结构。

[0067] 另外，利用制造的超透镜(参照图7所示的结构)，通过实验证明其消扫描角度色差的焦点扫描能力。为了便于对实验样品进行实验表征，通过锁定超表面的转角和为cav＝0通过改变转角差Δc的值来控制焦点在xz面内进行扫描。通过在0.6THz处正入射的线极化光束照射超透镜，并使用太赫兹时域光谱系统测量了在四个不同转角差(Δc＝0°,10°,20°,30°)处透过超透镜的电场分布。在对不同时刻的样品进行实验表征时，为了获得稳定的结果，将不同层的转角固定在与之对应的转角差上。由于物体在真空中的运动速度比光速慢很多，这样的处理不会给器件的真实性能带来任何误差。两层超表面之间的距离选择为d＝
300μm，来消除衍射效应以确保整个系统的稳定性。最后，在不同转角差(Δc＝0°,10°,20°,
30°)处测量的焦点电场分布的xz面如图5所示，探针每隔0.1mm收集一次电场信息，，其中阴影部分是为了避免测试时探针与样品直接接触导致样品或探针的损坏而预留的安全距离。
当Δc＝0°时，可确定正出射的焦点位置在(0,0,3.95)处，此时焦点的扫描角度为零，与预设的焦点位置非常吻合。随着转角差Δc的逐渐增加，焦点的强度逐渐降低并被拉长，焦点的横向位置逐渐远离正出射时的位置，而焦点的轴向位置仍基本稳定在正出射的焦平面内(z＝4mm)，数值孔径为0.53。经计算在不同转角差处Δc的值与焦点的扫描角度基本一致。

[0068] 同时，为了进一步展示焦点位置随着转角差Δc的变化在焦平面内的扫描，使用太赫兹近场一体化光谱仪测试系统分别对不同转角差(Δc＝0°,10°,20°,30°)处xy面(z＝4mm)的电场强度分布进行了扫描测试，扫描步长设置为0.1mm。如图6所示，给出了在xy面(z＝4mm)内的电场归一化强度分布和相应的横向强度分布。随着转角差Δc的逐渐增加，焦点沿着+x方向逐渐移动，远离正出射时的位置，在不同转角差处对应的焦点半峰宽分别为450μm、510μm、560μm、930μm。

[0069] 由此，通过实验验证结果证明了本实施例设计方法的可行性，对于在ΔCe[0°,30°]范围内的扫描角度，均可以在焦点平面上找到良好的聚焦光点，这表明设计得到的焦点扫描器件可以随着焦点横向位置的变化自动修正焦点的纵向位置，消除了扫描角度色差，从而有效的将焦点保持在同一个焦平面上。

[0070] 因此，采用上述的方法设计得到的超透镜，其结构如图7所示，在扫描过程中能够自动修正轴向的离轴误差，提高了三维扫描系统的准确性和稳定性，为激光切割、打标、激光快速成型、三维应用等领域中的设备和工艺提供了更高的效率。

[0071] 本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。