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▌ARMS 在超透鏡研究中的應用
一種利用顯微角分辨光譜系統(tǒng)對透鏡類樣品進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 光場強度
【概述】當前，超透鏡（Metalens）是超表面（Metasurface）領域的研究熱點之一。相比于傳統(tǒng)透鏡，超透鏡既提供了基于相位的全新設計手段，又支持了基于半導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，超透鏡技術的發(fā)展將能夠促進新型檢測技術的突破，并在智能終端平臺實現(xiàn)廣泛的應用。
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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用示意圖 |
在研究階段，對超透鏡進行聚焦能力表征可以驗證其設計效果并分析加工過程中引入的缺陷。復享光學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)實現(xiàn) 0°定角度入射，并利用 CCD 相機和電控掃描臺，獲取超透鏡在不同深度的兩維光場強度，并重構(gòu)為三維場強分布。圖2 展示了 單透鏡樣品光場強度 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)實現(xiàn) 0°定角度入射，并利用 CCD 相機和電控掃描臺，獲取超透鏡在不同深度的兩維光場強度，并重構(gòu)為三維場強分布。圖2 展示了 單透鏡樣品光場強度 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度分布。其中，左圖為 XZ 截面光場強度分布，右圖為 Z=230, 300, 400, 500μm 時的 XY 截面光場強度分布。通過對比可以清晰地看出，白光入射條件下的焦點位置在 300μm，單色光入射條件下的焦點位置在 230μm。不同波長的焦點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)】復享光學的 ARMS 顯微角分辨光譜系統(tǒng) 是一種精細化光譜測試平臺，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)條件下實現(xiàn)不同角度的入射和光譜探測，并對偏振、熒光等特性進行調(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，復享光學的 ARMS 顯微角分辨光譜系統(tǒng) |
【參考文獻】
? 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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