基于氧化石墨烯的可调多焦点超透镜设计

基于超表面设计的超透镜可以调制光的振幅、相位和偏振，并获得多种新颖的聚焦效果，近年来受到广泛关注。受制于材料调控与光场调制的局限，常见的超透镜多表现出静态单一的光场聚焦效果。本文基于氧化石墨烯材料可调制光学性质，采用时域有限差分法(finite difference time domain, FDTD)，针对正交圆偏振设计超透镜，通过模拟材料相变产生的折射率变化，在焦点处表现出光强度可调能力，并表现出几何相位与传输相位共同影响的聚焦机制。同时，对超透镜进行多区域设计，在不同偏振状态光的入射下实现独立聚焦效果，为实现多焦点、可调超透镜功能器件的设计提供了重要依据。

超表面是一种人工设计的周期性二维亚波长结构，可通过光与单元结构的相互作用实现波前调控。

传统光学元件通过传播相位机制往往需要较长光程来累积相位延迟实现光场调控。相比之下，超表面可以在界面处引入不连续相位实现相位调制[1]，且可利用可调制单元结构来实现多维度及动态的调控，表现出较大的研究与应用潜力。迄今为止，报道的常见超表面器件包括光束偏转器[2]、超透镜[3] [4] [5]、隐形斗篷[6]、超表面全息图[7]等。其中，超透镜利用超表面器件中光与材料相互作用，实现聚焦器件的平面化、小型化等特点，受到广泛关注。同时，通过设计单元结构，超透镜可实现部分传统器件难以实现的功能，如宽波段[8]、消色差[9]、可调谐[10]等，并实现集成。然而，随着设计调制维度的增加以及加工尺度的微小化，超透镜的设计与制备仍是研究的重要话题。

几何相位(Berry phase, PB phase)通过使用各向异性超表面单元结构，实现交叉极化电磁波的完全相位控制。在前期的研究中，超透镜利用几何相位实现对左旋圆偏振(LCP)和右旋圆偏振(RCP)光的独立调节[11]。

但是， 这种方法根据入射光的偏振态与所需要的聚焦相位排列周期性单元结构， 对于设计好的超透镜结构，只能适用一种偏振态的入射光，无法满足LCP 与RCP 同时调控。近来有结果表明，利用几何相位与传输相位相结合设计超透镜，光的LCP 与RCP 分别受到超表面单元结构的长轴与短轴、空间方位角及材料参数的共同影响， 能够在空间上改变电磁波的方向， 实现对上述两种偏振态的独立控制[12]， 以及偏振复用的聚焦功能。2015 年，Arbabi 等人提出利用电介质超表面实现偏振的独立调控，通过琼斯矩阵计算每个单元结构的长短轴和方位角，设计任意位置的单元结构参数，分别实现正交偏振态分束和聚焦功能[13]。2017 年，F. Capasso 团队提出一种独立调控LCP 和RCP 光波前的新方法：利用高折射率介质柱同步调控传输相位和几何相位，再通过两者的复合实现对任意两正交偏振的独立调控[14]。2021年Yao 等人设计了一种螺旋相关的多焦点超构透镜，该结构可以独立地将入射LCP 和RCP 太赫兹波在输出平面产生多个焦点[15]。

此外，聚焦光场可调也是该领域的另一个重要探索话题。

通常的做法是利用材料相变，如石墨烯、二维材料、各向异性液晶等，产生折射率调制实现光场调控能力。2018 年，Liu等人提出了一种基于相位调制的电控石墨烯太赫兹超透镜，通过电压控制石墨烯折射率，实现焦距动态