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▌ARMS 在超透鏡研究中的應(yīng)用
一種利用顯微角分辨光譜系統(tǒng)對透鏡類樣品進(jìn)行聚焦能力表征的方法
超透鏡 超表面 聚焦能力 角分辨光譜 光場強(qiáng)度
【概述】當(dāng)前，超透鏡（Metalens）是超表面（Metasurface）領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。相比于傳統(tǒng)透鏡，超透鏡既提供了基于相位的全新設(shè)計(jì)手段，又支持了基于半導(dǎo)體平面加工的制備工藝，從而*兼容微電子產(chǎn)業(yè)（圖1）。由于這些優(yōu)點(diǎn)，超透鏡技術(shù)的發(fā)展將能夠促進(jìn)新型檢測技術(shù)的突破，并在智能終端平臺實(shí)現(xiàn)廣泛的應(yīng)用。
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| 圖1，超透鏡聚焦及平面微納結(jié)構(gòu)器件在光子芯片中的應(yīng)用示意圖 |
在研究階段，對超透鏡進(jìn)行聚焦能力表征可以驗(yàn)證其設(shè)計(jì)效果并分析加工過程中引入的缺陷。復(fù)享光學(xué)的顯微角分辨光譜系統(tǒng)為 μm 尺度超透鏡聚焦能力分析提供了全面而可靠的測量手段。
【樣品 & 測試】本文針對 15mm 焦距單透鏡樣品，利用 ARMS 顯微角分辨光譜系統(tǒng) 的角分辨特性，控制入射光的角度，表征透鏡的聚焦能力。通過 ARMS 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) 0°定角度入射，并利用 CCD 相機(jī)和電控掃描臺，獲取超透鏡在不同深度的兩維光場強(qiáng)度，并重構(gòu)為三維場強(qiáng)分布。圖2 展示了 單透鏡樣品光場強(qiáng)度 的截面圖。據(jù)此，可以分析透鏡類樣品的聚焦能力。
【樣品 & 測試】本文針對 15mm 焦距單透鏡樣品，利用 ARMS 顯微角分辨光譜系統(tǒng) 的角分辨特性，控制入射光的角度，表征透鏡的聚焦能力。通過 ARMS 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) 0°定角度入射，并利用 CCD 相機(jī)和電控掃描臺，獲取超透鏡在不同深度的兩維光場強(qiáng)度，并重構(gòu)為三維場強(qiáng)分布。圖2 展示了 單透鏡樣品光場強(qiáng)度 的截面圖。據(jù)此，可以分析透鏡類樣品的聚焦能力。
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| 圖2，單透鏡聚焦能力分析示意圖 |
圖3 分別展示了單透鏡在白光及單色光（808nm）入射條件下的光場強(qiáng)度分布。其中，左圖為 XZ 截面光場強(qiáng)度分布，右圖為 Z=230, 300, 400, 500μm 時(shí)的 XY 截面光場強(qiáng)度分布。通過對比可以清晰地看出，白光入射條件下的焦點(diǎn)位置在 300μm，單色光入射條件下的焦點(diǎn)位置在 230μm。不同波長的焦點(diǎn)位置不同反映了透鏡的色散特性。
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| 圖3，單透鏡分別在白光及 808nm 單色光下的聚焦能力分析 |
【總結(jié)】復(fù)享光學(xué)的 ARMS 顯微角分辨光譜系統(tǒng) 是一種精細(xì)化光譜測試平臺，具備 角度(k)、空間(x)、光譜(ω) 三重分辨能力，能夠輕松在微區(qū)條件下實(shí)現(xiàn)不同角度的入射和光譜探測，并對偏振、熒光等特性進(jìn)行調(diào)控和表征?；谶@些優(yōu)勢，ARMS 為微小尺度透鏡類樣品（例如超透鏡）的 聚焦能力 分析，進(jìn)而包括色散、分辨率、偏振等特性表征提供了一種成熟而的解決方案。▌
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| 圖4，復(fù)享光學(xué)的 ARMS 顯微角分辨光譜系統(tǒng) |
【參考文獻(xiàn)】
? 圖1左來源于 “Jared Sisler/Harvard SEAS”
? 圖1右上來源于《Photonic Crystals-Molding the Flow of Light（Second Edition）》
? 圖1右下來源于“Second Bay Studios/Harvard SEAS”
? Chen, W. T., Zhu, A. Y., Sanjeev, V., Khorasaninejad, M., Shi, Z., & Lee, E., et al. "A broadband achromatic metalens for focusing and imaging in the visible." Nature Nanotechnology (2018).
? Tseng, M. L., Hsiao, H. H., Chu, C. H., Chen, M. K., Sun, G., et al. "Metalenses: Advances and Applications." Advanced Optical Materials (2018).
? Liang, H., Lin, Q., Xie, X., Sun, Q., Wang, Y., Zhou, L., et al. "An Ultra-high Numerical Aperture Metalens at Visible Wavelengths." arXiv preprint arXiv (2018).
? Yang, H., Li, G., Su, X., Cao, G., Zhao, Z., Chen, X., et al. "Reflective metalens with sub-diffraction-limited and multifunctional focusing." Scientific Reports (2017).
? Lin, Dianmin, Fan, P., Hasman, E., et al. "Dielectric gradient metasurface optical elements."science (2014).
? 圖1左來源于 “Jared Sisler/Harvard SEAS”
? 圖1右上來源于《Photonic Crystals-Molding the Flow of Light（Second Edition）》
? 圖1右下來源于“Second Bay Studios/Harvard SEAS”
? Chen, W. T., Zhu, A. Y., Sanjeev, V., Khorasaninejad, M., Shi, Z., & Lee, E., et al. "A broadband achromatic metalens for focusing and imaging in the visible." Nature Nanotechnology (2018).
? Tseng, M. L., Hsiao, H. H., Chu, C. H., Chen, M. K., Sun, G., et al. "Metalenses: Advances and Applications." Advanced Optical Materials (2018).
? Liang, H., Lin, Q., Xie, X., Sun, Q., Wang, Y., Zhou, L., et al. "An Ultra-high Numerical Aperture Metalens at Visible Wavelengths." arXiv preprint arXiv (2018).
? Yang, H., Li, G., Su, X., Cao, G., Zhao, Z., Chen, X., et al. "Reflective metalens with sub-diffraction-limited and multifunctional focusing." Scientific Reports (2017).
? Lin, Dianmin, Fan, P., Hasman, E., et al. "Dielectric gradient metasurface optical elements."science (2014).
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