基于超表面的多光譜成像系統(tǒng)設計

光譜成像系統(tǒng)能夠同時獲取目標的空間維和光譜維信息，具有圖譜合一的特點，被廣泛應用于航空航天遙感、水質監(jiān)測、大氣污染檢測、石油礦物探測等多個領域。隨著科學技術的進步，人們對于光學系統(tǒng)的便攜性與高精度需求越來越大，光學系統(tǒng)正朝著小型化、集成化、高通量的方向發(fā)展。隨著衍射光學理論以及微納加工工藝的發(fā)展，一種可以特定調制需要的人工“電磁超材料”隨之誕生，這種超材料稱之為“超表面”。它是一種由亞波長尺寸的單元結構組合而成的特殊結構，通過人為設計亞波長單元結構的尺寸、形狀及序構形式，便可調控光波信息，實現(xiàn)對電磁波的“特異性調控”，從而打破傳統(tǒng)材料的束縛。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，中國科學院計算光學成像技術重點實驗室、中國科學院空天信息創(chuàng)新研究院和中國科學院大學的聯(lián)合科研團隊在《光譜學與光譜分析》期刊上發(fā)表了以“基于超表面的多光譜成像系統(tǒng)設計”為主題的文章。

該研究將超表面與光譜成像技術相結合，通過相位信息的調控及計算，僅由一塊材料、單個元件即可實現(xiàn)不同波長入射光色散與聚焦的獨立調控。不同于其他光譜成像結構需準直和聚焦光學系統(tǒng)，本方法通過優(yōu)化超表面單元結構實現(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、輕小型化探測需求，同時能有效改善傳統(tǒng)調控方法能量效率低、對偏振敏感的劣勢。

光譜系統(tǒng)微結構計算

傳輸相位調制原理

光波由振幅、相位、頻率三個基本物理量構成，對其進行調控可實現(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所設計超表面的單元微結構進行優(yōu)化，不同的亞波長結構獨立控制不同的波長，將亞波長結構進行有序排布完成全模設計，實現(xiàn)不同波長聚焦與色散的獨立調控。傳統(tǒng)的透鏡成像基于傳播相位的原理，通過調整傳播距離、透鏡的曲率半徑、透鏡厚度來實現(xiàn)不同位置入射光波的聚焦。本工作采用等效折射率理論，通過改變折射率較高的介質材料在單元結構中的占空比來調控單元結構的透射系數(shù)和反射系數(shù)，從而達到改變單元結構的介電常數(shù)和磁導率的目的。

選定510~720nm范圍內(nèi)的八個不同波長，通過建立微結構仿真模型，給定邊界條件并設置網(wǎng)格精度及相應場監(jiān)視器，所構建的超表面單元模型如圖1所示，灰色部分為基底材料SiO?，藍色部分為單元結構，單元結構采用圓柱結構以避免光波的偏振敏感性，且能有效提高光能利用率，單元結構材料為TiO?。

圖1 超表面單元結構圖

單元結構優(yōu)化計算

對所設計的超表面單元結構進行參數(shù)掃描可獲得相位的關系，通過改變單元柱的高度和半徑大小來觀察在不同高度和半徑處單元結構的相位變化，高度和半徑在一定范圍內(nèi)進行取值可以實現(xiàn)0~2π的相位覆蓋。對于中心波長為600nm的光波，單元柱半徑取值范圍為0.05~0.13μm，掃描結果如圖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高處透過率很高，所以單元結構選定高度為1.3μm。圖2（c）為固定高度h為1.3μm條件下的半徑相位曲線，該曲線用于進行全模系統(tǒng)的設計。

圖2 波長600nm的單元結構掃描結果

系統(tǒng)性能表征

全模模型建立

通過對TiO?的結構參數(shù)進行調控可獲得一系列相位以及透射率函數(shù)關系，根據(jù)函數(shù)對應關系，針對不同波長可計算出滿足相位匹配的聚焦相位結構。

在進行單元結構設計時，對不同直徑條件下的單元柱進行參數(shù)掃描，獲得相位與直徑的關系，利用仿真軟件對所設計的單元柱進行掃描后將獲得的電場數(shù)據(jù)進行存儲。在對超表面的相位分布進行設計時，讀取已存儲的電場數(shù)據(jù)中的相位信息根據(jù)獲得的相位半徑曲線來獲得每一個坐標所需要的單元柱的半徑尺寸。

對所設計波段范圍內(nèi)的超表面，設計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稱的結構，顯示為中心密集邊緣稀疏的分布趨勢。超表面半徑為100μm，焦距為2mm。

圖3 超透鏡結構示意圖

利用FDTD算法對單元結構進行優(yōu)化后，對光譜成像系統(tǒng)進行構建，超表面光譜成像系統(tǒng)由濾波元件及超表面聚焦系統(tǒng)共同構成，分別響應510~720nm范圍內(nèi)的八個譜段，光譜成像系統(tǒng)整體結構布局如圖4所示。寬譜段平面波光束以0°視場角入射，經(jīng)過濾波元件后，不同譜段的光束分別透射進入不同微結構，通過目標波長的位相調控，實現(xiàn)同一目標波長的聚焦及不同波長的色散。

圖4 超表面光譜儀示意圖

仿真結果

圖5為中心波長為600nm的光束聚焦性能仿真結果。圖5（a）橫坐標為聚焦光斑在XY坐標系的空間位置，圖5（b）橫坐標為聚焦光斑在XZ坐標系的空間位置，縱坐標為不同空間位置處的電場強度分布。從電場強度在XY和XZ面的分布可看出電場信息在兩個方向均實現(xiàn)了聚焦。

圖5 波長為600nm的電場分布情況

各波段光束沿Z軸正方向入射到所設計的超表面光譜系統(tǒng)后的結果如圖6所示。圖6（a）為對從監(jiān)視器中獲得的電場數(shù)據(jù)計算之后在理論焦面處的分布，圖6（b）為計算獲得不同波長電場強度分布， 從圖中可看出，510~720nm范圍內(nèi)的八個目標波長分別聚焦在坐標0~100μm不同位置上，八個目標波長的彌散斑直徑均小于10μm，實現(xiàn)了不同波長的有效聚焦。

圖6 超表面光譜儀色散聚焦效果

結論

在傳統(tǒng)單波長相位調制超表面的基礎上進一步拓展實現(xiàn)了八個波段的多光譜成像系統(tǒng)設計。通過計算和仿真，根據(jù)傳輸相位原理對超表面單元的結構和周期進行優(yōu)化改變其等效折射率，實現(xiàn)了對不同波長光的響應。從仿真結果可以看出，在設計波長處，超表面光譜成像儀可以有效聚焦，彌散斑直徑小于10μm。設計的超表面光譜成像系統(tǒng)，不受偏振態(tài)的影響，并且結構緊湊、效率高，為光譜成像系統(tǒng)的微型化設計與研制提供了一種新的思路，為超表面光譜成像系統(tǒng)的實現(xiàn)提供了一定理論基礎。

該研究獲得中國科學院重點實驗室基金項目（E13A04010F）和科學與顛覆性技術研究先導基金項目（E1Z204030F）的資助支持。

審核編輯：湯梓紅