光譜成像系統(tǒng)能夠同時(shí)獲取目標(biāo)的空間維和光譜維信息，具有圖譜合一的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航天遙感、水質(zhì)監(jiān)測(cè)、大氣污染檢測(cè)、石油礦物探測(cè)等多個(gè)領(lǐng)域。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人們對(duì)于光學(xué)系統(tǒng)的便攜性與高精度需求越來(lái)越大，光學(xué)系統(tǒng)正朝著小型化、集成化、高通量的方向發(fā)展。隨著衍射光學(xué)理論以及微納加工工藝的發(fā)展，一種可以特定調(diào)制需要的人工“電磁超材料”隨之誕生，這種超材料稱之為“超表面”。它是一種由亞波長(zhǎng)尺寸的單元結(jié)構(gòu)組合而成的特殊結(jié)構(gòu)，通過(guò)人為設(shè)計(jì)亞波長(zhǎng)單元結(jié)構(gòu)的尺寸、形狀及序構(gòu)形式，便可調(diào)控光波信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波的“特異性調(diào)控”，從而打破傳統(tǒng)材料的束縛。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，中國(guó)科學(xué)院計(jì)算光學(xué)成像技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院和中國(guó)科學(xué)院大學(xué)的聯(lián)合科研團(tuán)隊(duì)在《光譜學(xué)與光譜分析》期刊上發(fā)表了以“基于超表面的多光譜成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)”為主題的文章。

該研究將超表面與光譜成像技術(shù)相結(jié)合，通過(guò)相位信息的調(diào)控及計(jì)算，僅由一塊材料、單個(gè)元件即可實(shí)現(xiàn)不同波長(zhǎng)入射光色散與聚焦的獨(dú)立調(diào)控。不同于其他光譜成像結(jié)構(gòu)需準(zhǔn)直和聚焦光學(xué)系統(tǒng)，本方法通過(guò)優(yōu)化超表面單元結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)聚焦的多樣性，極大縮小了系統(tǒng)體積。超表面光譜成像系統(tǒng)能有效滿足集成化、輕小型化探測(cè)需求，同時(shí)能有效改善傳統(tǒng)調(diào)控方法能量效率低、對(duì)偏振敏感的劣勢(shì)。

光譜系統(tǒng)微結(jié)構(gòu)計(jì)算

傳輸相位調(diào)制原理

光波由振幅、相位、頻率三個(gè)基本物理量構(gòu)成，對(duì)其進(jìn)行調(diào)控可實(shí)現(xiàn)波前的操控，以滿足不同的性能需求。本文基于傳輸相位原理對(duì)所設(shè)計(jì)超表面的單元微結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，不同的亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)獨(dú)立控制不同的波長(zhǎng)，將亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有序排布完成全模設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)不同波長(zhǎng)聚焦與色散的獨(dú)立調(diào)控。傳統(tǒng)的透鏡成像基于傳播相位的原理，通過(guò)調(diào)整傳播距離、透鏡的曲率半徑、透鏡厚度來(lái)實(shí)現(xiàn)不同位置入射光波的聚焦。本工作采用等效折射率理論，通過(guò)改變折射率較高的介質(zhì)材料在單元結(jié)構(gòu)中的占空比來(lái)調(diào)控單元結(jié)構(gòu)的透射系數(shù)和反射系數(shù)，從而達(dá)到改變單元結(jié)構(gòu)的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率的目的。

選定510~720nm范圍內(nèi)的八個(gè)不同波長(zhǎng)，通過(guò)建立微結(jié)構(gòu)仿真模型，給定邊界條件并設(shè)置網(wǎng)格精度及相應(yīng)場(chǎng)監(jiān)視器，所構(gòu)建的超表面單元模型如圖1所示，灰色部分為基底材料SiO?，藍(lán)色部分為單元結(jié)構(gòu)，單元結(jié)構(gòu)采用圓柱結(jié)構(gòu)以避免光波的偏振敏感性，且能有效提高光能利用率，單元結(jié)構(gòu)材料為TiO?。

圖1 超表面單元結(jié)構(gòu)圖

單元結(jié)構(gòu)優(yōu)化計(jì)算

對(duì)所設(shè)計(jì)的超表面單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)掃描可獲得相位的關(guān)系，通過(guò)改變單元柱的高度和半徑大小來(lái)觀察在不同高度和半徑處單元結(jié)構(gòu)的相位變化，高度和半徑在一定范圍內(nèi)進(jìn)行取值可以實(shí)現(xiàn)0~2π的相位覆蓋。對(duì)于中心波長(zhǎng)為600nm的光波，單元柱半徑取值范圍為0.05~0.13μm，掃描結(jié)果如圖2（a）所示，可以看到單元柱半徑在0.05~0.13μm的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了0~2π的相位控制，且從圖2（b）可以看出，在1.3μm高處透過(guò)率很高，所以單元結(jié)構(gòu)選定高度為1.3μm。圖2（c）為固定高度h為1.3μm條件下的半徑相位曲線，該曲線用于進(jìn)行全模系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

圖2 波長(zhǎng)600nm的單元結(jié)構(gòu)掃描結(jié)果

系統(tǒng)性能表征

全模模型建立

通過(guò)對(duì)TiO?的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行調(diào)控可獲得一系列相位以及透射率函數(shù)關(guān)系，根據(jù)函數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系，針對(duì)不同波長(zhǎng)可計(jì)算出滿足相位匹配的聚焦相位結(jié)構(gòu)。

在進(jìn)行單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)不同直徑條件下的單元柱進(jìn)行參數(shù)掃描，獲得相位與直徑的關(guān)系，利用仿真軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的單元柱進(jìn)行掃描后將獲得的電場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。在對(duì)超表面的相位分布進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，讀取已存儲(chǔ)的電場(chǎng)數(shù)據(jù)中的相位信息根據(jù)獲得的相位半徑曲線來(lái)獲得每一個(gè)坐標(biāo)所需要的單元柱的半徑尺寸。

對(duì)所設(shè)計(jì)波段范圍內(nèi)的超表面，設(shè)計(jì)相位排布好的超表面如圖3所示，由于相位分布具有周期性，從圖3可以看出超表面單元柱的分布也具有周期對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，顯示為中心密集邊緣稀疏的分布趨勢(shì)。超表面半徑為100μm，焦距為2mm。

圖3 超透鏡結(jié)構(gòu)示意圖

利用FDTD算法對(duì)單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化后，對(duì)光譜成像系統(tǒng)進(jìn)行構(gòu)建，超表面光譜成像系統(tǒng)由濾波元件及超表面聚焦系統(tǒng)共同構(gòu)成，分別響應(yīng)510~720nm范圍內(nèi)的八個(gè)譜段，光譜成像系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)布局如圖4所示。寬譜段平面波光束以0°視場(chǎng)角入射，經(jīng)過(guò)濾波元件后，不同譜段的光束分別透射進(jìn)入不同微結(jié)構(gòu)，通過(guò)目標(biāo)波長(zhǎng)的位相調(diào)控，實(shí)現(xiàn)同一目標(biāo)波長(zhǎng)的聚焦及不同波長(zhǎng)的色散。

圖4 超表面光譜儀示意圖

仿真結(jié)果

圖5為中心波長(zhǎng)為600nm的光束聚焦性能仿真結(jié)果。圖5（a）橫坐標(biāo)為聚焦光斑在XY坐標(biāo)系的空間位置，圖5（b）橫坐標(biāo)為聚焦光斑在XZ坐標(biāo)系的空間位置，縱坐標(biāo)為不同空間位置處的電場(chǎng)強(qiáng)度分布。從電場(chǎng)強(qiáng)度在XY和XZ面的分布可看出電場(chǎng)信息在兩個(gè)方向均實(shí)現(xiàn)了聚焦。

圖5 波長(zhǎng)為600nm的電場(chǎng)分布情況

各波段光束沿Z軸正方向入射到所設(shè)計(jì)的超表面光譜系統(tǒng)后的結(jié)果如圖6所示。圖6（a）為對(duì)從監(jiān)視器中獲得的電場(chǎng)數(shù)據(jù)計(jì)算之后在理論焦面處的分布，圖6（b）為計(jì)算獲得不同波長(zhǎng)電場(chǎng)強(qiáng)度分布， 從圖中可看出，510~720nm范圍內(nèi)的八個(gè)目標(biāo)波長(zhǎng)分別聚焦在坐標(biāo)0~100μm不同位置上，八個(gè)目標(biāo)波長(zhǎng)的彌散斑直徑均小于10μm，實(shí)現(xiàn)了不同波長(zhǎng)的有效聚焦。

圖6 超表面光譜儀色散聚焦效果

結(jié)論

在傳統(tǒng)單波長(zhǎng)相位調(diào)制超表面的基礎(chǔ)上進(jìn)一步拓展實(shí)現(xiàn)了八個(gè)波段的多光譜成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)。通過(guò)計(jì)算和仿真，根據(jù)傳輸相位原理對(duì)超表面單元的結(jié)構(gòu)和周期進(jìn)行優(yōu)化改變其等效折射率，實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同波長(zhǎng)光的響應(yīng)。從仿真結(jié)果可以看出，在設(shè)計(jì)波長(zhǎng)處，超表面光譜成像儀可以有效聚焦，彌散斑直徑小于10μm。設(shè)計(jì)的超表面光譜成像系統(tǒng)，不受偏振態(tài)的影響，并且結(jié)構(gòu)緊湊、效率高，為光譜成像系統(tǒng)的微型化設(shè)計(jì)與研制提供了一種新的思路，為超表面光譜成像系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了一定理論基礎(chǔ)。

該研究獲得中國(guó)科學(xué)院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金項(xiàng)目（E13A04010F）和科學(xué)與顛覆性技術(shù)研究先導(dǎo)基金項(xiàng)目（E1Z204030F）的資助支持。

審核編輯：湯梓紅