摘要
超材料，是一种人工合成的材料或结构，具有一些天然材料不具备的超常物理性质，但三维超材料往往难以制备，因此基于超材料原理的二维超表面越来越受到科研人员的青睐。超表面对电磁波的振幅、相位、偏振等特性的调控能力格外优秀。基于超表面原理的超透镜有替代传统大而笨重的透镜组的潜力。目前超透镜的研究主要集中在两个方面：一是研究如何实现宽波段消色差，二是研究如何实现大视场成像。在实际应用中，两者都至关重要，因此研究能同时实现大视场宽波段成像的超透镜具有重要的科学意义以及实用价值。 本文基于超透镜相位调制原理，提出了利用传输位相原理结合双层超表面实现超透镜的大视场宽波段成像，设计了工作在可见光波段以及中红外波段的大视场宽波段成像超透镜。本文的工作可分为以下几个部分： (1)在可见光470-650nm波段，利用传输位相原理设计实现了0-±30°视场角下消色差大视场成像超透镜。首先通过光线追迹算法优化出两个超表面的相位轮廓，然后依靠不同半径的TiO2纳米柱对多个波长实现相位和振幅的调控。通过优化算法优化出两个表面的高度以及TiO2纳米柱在整个超表面内的排布。仿真结果显示，在RGB三个波长下，所有视场下的焦点几乎都位于所设计的焦平面内，焦点形状几乎都是圆形，MTF曲线非常接近衍射极限，在正入射时红光的聚焦效率达到了70%，绿光效率为59.2%，蓝光效率为38.7%。对于整个设计波段，实现了消色差大视场成像，正入射时平均聚焦效率在50%以上。 (2)为节省设计时间，本文利用深度学习原理，设计了反馈向前神经网络模型，实现了通过所需相位对纳米柱半径进行预测。首先根据需求确定输入输出，再根据经验和实验结果确定隐藏层的配置。然后将经过训练后的神经网络模型用于超表面结构单元的预测，并建立超透镜模型进行仿真。结果显示，第一层超表面的神经网络模型线性回归系数高达99.99%，第二层为99.45%。建立的超透镜在RGB波长下0-±30°视场角范围内聚焦在同一平面内，RGB三波长的正入射聚焦效率分别为77.2%、44.9%和45.2%。对于整个设计波段，正入射时平均聚焦效率接近60%。 (3)在中红外10-11μm范围内，利用传输相位原理设计了消色差0-±30°大视场成像超透镜。利用光刻技术和离子刻蚀技术制备了超透镜并进行表征。结果显示，超透镜形貌较好，制备工艺可靠，在设计波长范围内可以实现良好的聚焦效果，视场为60°。正入射时平均聚焦效率为20.62%，30°角入射时平均聚焦效率为9.1%。
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