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基于相位延迟扩展的准彩色超表面的理论与基本极限

Theory and Fundamental Limit of Quasiachromatic Metalens by Phase Delay Extension.

作者信息

Chen Qikai, Gao Yubin, Pian Sijie, Ma Yaoguang

机构信息

State Key Laboratory of Extreme Photonics and Instrumentation, College of Optical Science and Engineering, International Research Center for Advanced Photonics, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China.

ZJU-Hangzhou Global Scientific and Technological Innovation Center, Hangzhou, 311200, China.

出版信息

Phys Rev Lett. 2023 Nov 10;131(19):193801. doi: 10.1103/PhysRevLett.131.193801.

DOI:10.1103/PhysRevLett.131.193801
PMID:38000403
Abstract

The periodic extension of phase difference is commonly applied in device design to obtain phase compensation beyond the system's original phase modulation capabilities. Based on this extension approach, we propose the application of quasiphase delay matching to extend the range of dispersion compensation for meta-atoms with limited height. Our theory expands the limit of frequency bandwidth coverage and relaxes the constraints of aperture, NA, and bandwidth for metalenses. By applying the uncertainty principle, we explain the fundamental limit of this achromatic bandwidth and obtain the achromatic spectrum using perturbation analysis. To demonstrate the effectiveness of this extended limit, we simulate a quasiachromatic metalens with a diameter of 2 mm and a NA of 0.55 in the range of 400-1500 nm. Our findings provide a novel theory for correcting chromatic aberration in large-diameter ultrawide bandwidth devices.

摘要

相位差的周期性扩展通常应用于器件设计中,以获得超出系统原始相位调制能力的相位补偿。基于这种扩展方法,我们提出应用准相位延迟匹配来扩展有限高度超原子的色散补偿范围。我们的理论扩展了频率带宽覆盖的极限,并放宽了超透镜的孔径、数值孔径和带宽的限制。通过应用不确定性原理,我们解释了这种消色差带宽的基本极限,并使用微扰分析获得了消色差光谱。为了证明这种扩展极限的有效性,我们在400 - 1500 nm范围内模拟了一个直径为2 mm、数值孔径为0.55的准消色差超透镜。我们的研究结果为校正大直径超宽带器件中的色差提供了一种新理论。

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