全金属超表面在电磁波相位调控中的应用及进展

全金属超表面是由亚波长金属单元所组成的结构阵列,其在调控电磁波相位方面展现出了效率高、带宽大等特点,并且相较于金属-介质混合型超表面,全金属超表面具有优良的热学和机械性能,如耐高温、强度大、延展性好等,这使得其可以应用于高温高压等极端复杂环境中。本文对近年来全金属超表面取得的研究进展进行了简要的归纳总结,主要介绍了其在构建高效、多功能平面光学器件以及多频谱电磁隐身中的应用,并对其未来的发展方向进行了展望。

无衍射贝塞尔光束的传输调控研究进展(特邀)

贝塞尔光束以其独特的无衍射传输特性得到了广泛的关注,在光学操控、光学加工、信息传输、光学成像等领域具有巨大的应用前景。为了丰富光束的传输特性,通过不同手段对贝塞尔光束传输的调控成为了热点问题。研究者提出不同的理论和方法,通过对贝塞尔光束进行不同维度的调控,构造了沿任意轨迹传输、轴上强度和偏振可调的新型类贝塞尔光束。从贝塞尔光束的基本特性出发,总结了近年来贝塞尔光束传输调控相关的研究进展,包括贝塞尔光束的传输轨迹控制、轴向强度和偏振态控制、束宽控制等基本调控手段,并分析了其传输和调控机理。

紧聚焦角向矢量光激发下硅环-开口金环纳米天线的单向散射

采用时域有限差分法,数值研究了紧聚焦角向矢量光激发下硅环-开口金环纳米天线的远场散射特性.结果表明:紧聚焦的角向矢量光可在硅纳米环和开口金纳米环中分别激发出不同峰宽的磁偶极模式;由于模式间的杂化效应,两种磁偶极模式会耦合形成硅环-开口金环纳米结构的反键和成键模式;在峰谷1064 nm波长处,反键和成键模式间的相消干涉在面内形成了单向远场散射.进一步,详细研究了几何参数对单向散射的影响,并且借助该纳米天线的单向散射特性,实现了偶极光源的定向发射.研究结果提供了一种纳米光子结构远场散射的灵活调控手段,并有望为纳米光源、光学传感器等的设计和研发提供有益的参考.

非制冷长波红外连续变焦光学系统的一种无热化设计

为了满足长波红外(LWIR)热像仪在宽温度范围下连续变焦的需求,基于LWIR 320 pixel×320 pixel型红外探测器,设计了一款非制冷长波红外连续变焦光学系统。该系统可在宽温度范围下实现无热化,采用常见的硫系玻璃,工作波段为8~12μm,总长为200 mm,仅由7片透镜组成。通过引入偶次非球面,可以使系统色差和轴外像差得到良好的校正,同时选用后固定组的最后一片透镜充当温度补偿组来调节焦距实现无热化。分析结果表明,该系统结构紧凑,可以在-40~60℃温度范围内和60~180 mm焦距范围内连续平滑变焦,并且全程成像质量良好(调制传递函数在20 lp/mm处均大于0.3),变焦和公差也具有良好的可实现性。

金属光栅表面等离激元与二硫化钨激子的强耦合特性

本文研究了金属光栅表面等离激元与单层二硫化钨激子的耦合共振特性。利用时域有限差分法模拟了一维金光栅/单层二硫化钨混合结构的光谱响应及电场强度分布。结果表明,金光栅表面等离激元与单层二硫化钨激子耦合可产生光谱劈裂。当改变金光栅的结构参数时,混合结构的反射光谱出现了明显的反交叉现象。采用时域耦合模理论拟合了混合结构不同参数时的反射光谱,拟合结果与数值模拟符合较好。金光栅表面等离激元与单层二硫化钨激子的耦合作用满足强耦合判据。耦合振荡器模型分析结果表明,当金光栅周期为400 nm、宽度为300 nm时,混合结构强耦合光谱的拉比劈裂为54.6 meV,其与时域耦合模理论结果一致。该工作将为表面等离激元与激子强耦合作用的深入研究与器件开发开辟新途径。

用于刑侦检测的日盲紫外折衍混合变焦光学系统设计

基于ARTCAM-407UV-WOM型紫外探测器,结合光学系统成像性能要求和光学元件成像特性,提出一种基于Qcon非球面和衍射表面的日盲紫外折衍混合变焦光学系统设计方法。所设计的系统仅由5块透镜组成,采用氟化钙和熔融石英两种材料,工作波段为0.24~0.27μm,连续变焦范围为40~100 mm。分析结果显示,该系统在整个变焦范围内,奈奎斯特空间频率在11 lp/mm处的调制传递函数值均高于0.7,全视场畸变小于0.06%,表明该设计方法能够满足日盲紫外连续变焦系统结构简单、体积小、像质优良、像面稳定等设计和刑侦检测使用要求,对此类光学系统的设计具有一定借鉴意义。

制冷型折衍混合双波段红外光学系统无热化设计

基于衍射元件的特殊成像性质,使用双层衍射元件进行双波段红外光学系统设计已成为研究热点。使用双层衍射元件能够有效提升宽波段的衍射效率,在简化系统结构的基础上提高像质。将红外成像系统设计为制冷型结构,能够消除背景噪声干扰,保证100%的冷光阑效率。基于带宽积分平均衍射效率最大化方法,设计了一款含有双层衍射元件的制冷型双波段红外光学成像系统,实现了在双波段红外和宽温度范围下的无热化设计。光学系统含有三片透镜,仅由两种材料组成,入瞳直径为80 mm,焦距为100 mm,F数为1.25,有效视场为6°,工作波段为3.7~4.8μm和8.0~12.0μm,工作环境温度为-40~60℃。分析结果表明,在整个温度范围内,在17 lp/mm截止频率处,双波段红外光学系统所有视场的调制传递函数分别高于0.78和0.59,同时双层衍射元件在红外双波段的带宽积分平均衍射效率分别为99.35%和98.73%,综合带宽积分平均衍射效率为99.04%。此光学系统的结构设计简单,成像质量好,在军事和商业应用中具有一定优势。

基于焦散线理论的表面波激发光栅结构设计

焦散线理论是利用光传播轨迹切线簇构造初始波前的一种方法。基于焦散线理论设计和传输的表面波具有局域场增强、传播轨迹可控等优点,在光学显微、光学传感、调控光波耦合等方面具有重要的应用。提出了一种基于焦散线理论的布洛赫表面波激发光栅结构设计方法。利用双线性光栅结构进行数值模拟实现了可传播100μm的类无衍射表面波,并分析了光栅结构参数对表面波耦合效率的影响。进一步,根据焦散线理论设计了一种简单的光栅结构,经模拟计算,该光栅结构能够实现沿任意轨迹自加速传输表面波的激发调控。研究结果为操纵亚波长尺度下光波的传输和片上光互联的端口设计提供了一种有效途径。

宽温度范围双层衍射元件优化设计及应用

建立了环境温度对双层衍射元件衍射效率影响的数学模型,给出高衍射效率衍射元件的优化设计方法。通过选择宽温度范围内设计波长对,计算衍射元件微结构参数,确保双层衍射元件在基底材料确定的情况下仍具有高衍射效率,发现混合成像光学系统具有最佳像质。最后设计了一套含有此双层衍射元件的中波红外混合成像光学系统。结果表明,与传统设计相比,本文方法能够有效地改善混合成像光学系统的无热化设计像质,设计结果更好。

基于马吕斯定律的液晶多维复用显示

采用基于马吕斯定律解耦调控光场振幅和相位的方法,设计了一种能够在可见光全波段实现近、远场空间双通道显示的平面液晶器件,分别通过调控透射场的振幅和相位实现器件表面图像显示及远场的傅里叶变换全息显示。利用远场共轭像强度与近场图像强度间的关系,通过压缩近场图像的强度区间,可以消除全息显示的共轭像。此外,通过调控外场电压实现图像开、关态间的动态调控及响应波长的管理。这种电控的空间和波长维度复用的显示方法,为拓展液晶器件的功能提供了一种新途径。