摘要：為了提高太赫茲超透鏡成像的縱向容忍度，設(shè)計(jì)了一種純幾何相位全介質(zhì)長(zhǎng)焦深超構(gòu)表面透鏡器件。采用純幾何相位自旋解耦的設(shè)計(jì)方法，并結(jié)合時(shí)域有限差分（FDTD）方法，對(duì)設(shè)計(jì)的超構(gòu)表面透鏡進(jìn)行了數(shù)值仿真。研究結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的太赫茲超構(gòu)表面透鏡具有偏振可控和長(zhǎng)焦深的特性，在沿著傳播方向上焦深達(dá)到了8mm，而普通超構(gòu)表面透鏡只有4.5 mm焦深。設(shè)計(jì)并數(shù)值仿真驗(yàn)證了兩個(gè)太赫茲長(zhǎng)焦深聚焦復(fù)用的超構(gòu)表面透鏡，并使得橫向復(fù)用的兩個(gè)長(zhǎng)焦深焦點(diǎn)具有相互正交的偏振態(tài)。相關(guān)研究有望應(yīng)用于層析成像和信息加密等方面。 引言光學(xué)超構(gòu)表面是超材料的二維體現(xiàn)，以能夠輕易地操控電磁波前和易于制造的優(yōu)勢(shì)受到了廣大研究者的研究。超構(gòu)表面通過在亞波長(zhǎng)范圍內(nèi)引入相位的突變來調(diào)控光波的振幅，相位和偏振態(tài)。近年來已經(jīng)開發(fā)了越來越多的超構(gòu)表面器件，例如平面超構(gòu)透鏡，波片，分束器，全息超表面，渦旋光束研究。超構(gòu)表面是一種新型且能代替?zhèn)鹘y(tǒng)大尺寸元件的二維材料，在光學(xué)系統(tǒng)集成化，小型化方面有著潛在的應(yīng)用。

長(zhǎng)焦深透鏡具有高容忍成像的特點(diǎn)，主要實(shí)現(xiàn)方式有forward logarithmic axicon，axilens和light sword optical element 3種，包括徑向和角向相位調(diào)制。但是傳統(tǒng)透鏡往往采用光程來改變相位，聚焦的二次相位使得元件表面是一個(gè)凸面，對(duì)制造精度具有相當(dāng)高的要求。超構(gòu)表面通過亞波長(zhǎng)尺度改變光波的電磁屬性，相位調(diào)制是透鏡最重要的屬性，幾何超構(gòu)表面利用面內(nèi)旋轉(zhuǎn)角代表不同相位的優(yōu)勢(shì)克服了傳統(tǒng)透鏡制造精度不準(zhǔn)的缺點(diǎn)，在平面內(nèi)就可以實(shí)現(xiàn)聚焦功能，因此基于幾何超構(gòu)表面長(zhǎng)焦深透鏡的報(bào)道很多。

2018年，Zhang等利用幾何超構(gòu)表面實(shí)現(xiàn)角向相位調(diào)制的長(zhǎng)焦深透鏡，該長(zhǎng)焦深透鏡將兩種圓偏振態(tài)聚焦到軸上兩個(gè)位置，通過改變?nèi)肷涔獾钠駪B(tài)，實(shí)現(xiàn)焦距和焦深的動(dòng)態(tài)可調(diào)。2019年，Zang等用幾何超構(gòu)表面實(shí)現(xiàn)聚焦相位的徑向調(diào)制，實(shí)現(xiàn)了偏振無關(guān)的長(zhǎng)焦深透鏡并實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了縱向高容忍成像，雖然上述方法相比傳統(tǒng)方式更容易獲得長(zhǎng)焦深透鏡，也具有對(duì)圓偏振態(tài)入射光的聚焦偏振轉(zhuǎn)化，比如左旋圓偏振光進(jìn)入，聚焦的焦點(diǎn)的偏振狀態(tài)是右旋圓偏振，但是對(duì)線偏振態(tài)的偏振轉(zhuǎn)化以及橫向復(fù)用的多焦點(diǎn)長(zhǎng)焦深透鏡還沒報(bào)道。本文提出了一種基于純幾何相位來設(shè)計(jì)超構(gòu)表面透鏡的方法，利用幾何相位自選解耦的方式融合偏振轉(zhuǎn)換相位，實(shí)現(xiàn)線偏振太赫茲波聚焦為長(zhǎng)焦深焦點(diǎn)的同時(shí)，還可以調(diào)控聚焦點(diǎn)的線偏振狀態(tài)。同時(shí)兩個(gè)焦點(diǎn)的橫向復(fù)用極大地提高了偏振選擇成像的縱向容忍性和增加了加密信息通道。1 設(shè)計(jì)原理設(shè)計(jì)的超構(gòu)表面透鏡如圖1所示，線偏振太赫茲波入射到器件上，通過設(shè)計(jì)的器件后太赫茲波聚焦成一個(gè)焦深 Δf 的長(zhǎng)焦深光斑，焦點(diǎn)范圍從 f 到 f+Δf，同時(shí)焦點(diǎn)的偏振態(tài)相對(duì)于入射線偏振態(tài)有一個(gè)旋轉(zhuǎn)角。設(shè)計(jì)的器件所組成的單元結(jié)構(gòu)具有各向異性，其光學(xué)特性可以用瓊斯矩陣表示為

圖1. 長(zhǎng)焦深偏振轉(zhuǎn)換超構(gòu)表面透鏡示意圖

圖2. 超表面的單元結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖以及單個(gè)結(jié)構(gòu)透過率和轉(zhuǎn)化效率3 結(jié)論本文提出了一種基于幾何相位自旋解耦的新方法，設(shè)計(jì)了一種基于全介質(zhì)的長(zhǎng)焦深與偏振可控的太赫茲超構(gòu)表面透鏡，這種超構(gòu)表面透鏡相比于傳統(tǒng)的超構(gòu)表面透鏡具有更長(zhǎng)的焦深，同時(shí)還能對(duì)聚焦的太赫茲波焦點(diǎn)的線偏振態(tài)進(jìn)行任意的調(diào)控。利用數(shù)值仿真軟件（FDTD）驗(yàn)證了單個(gè)偏振旋轉(zhuǎn)的長(zhǎng)焦深超構(gòu)表面透鏡和兩個(gè)長(zhǎng)焦深焦點(diǎn)在橫向方向上的復(fù)用，仿真結(jié)果顯示單個(gè)焦點(diǎn)和雙焦點(diǎn)都具有8 mm的焦深長(zhǎng)度和偏振可控的功能，相比于動(dòng)力學(xué)相位設(shè)計(jì)方法，我們的方法可以在設(shè)計(jì)功能器件上面的單元結(jié)構(gòu)更加方便，并且所有的單元結(jié)構(gòu)具有相同的振幅和依靠旋轉(zhuǎn)角的相位。本文所設(shè)計(jì)的長(zhǎng)焦深與偏振可控的超構(gòu)表面透鏡有望應(yīng)用到層析成像和多通道信息加密等方面。

審核編輯 ：李倩