摘要
超表面是一类特殊的人造平面复合材料，通过合理的设计亚波长尺度微纳单元的几何结构，可以实现光波的波前属性调控，基于超表面实现的平面透镜，简称超透镜，相较于大体积的传统曲面透镜，在体积、制造以及集成上的独到优势使其有望替代传统的曲面光学透镜成为新一代的光学成像系统组件。近十年来，有关各类功能超透镜设计的研究不断被提出，其中，扩展焦深超透镜因其较高的成像容忍度带来的各种新颖应用而受到了科研界的广泛关注。然而较为常用的传统扩展焦深超透镜设计方法中依然存在着种种问题，在这些问题难以被理论分析方案统一解决的情况下，结合各种智能优化算法的光子器件逆向设计方法带来了全新的思路。本文致力于研究基于遗传算法实现扩展焦深超透镜逆向设计的方法，全文的工作可以总结成如下两项： （1）设计了工作于980nm波长的一维超透镜，提出了将有限时域差分（FDTD）法仿真与经典遗传算法流程相结合的一维扩展焦深超透镜逆向设计方法。进一步地，根据多点变异算子、单点变异算子在逆向设计流程中带来的不同优化表现，本文提出了先后使用两轮分别采用了不同变异算子遗传算法的双过程式优化，最终通过该方法得到了具有明显扩展焦深属性的一维超透镜。优化后的一维扩展焦深超透镜焦深值达到了约为76.4amp;nbsp;μm，与同孔径下100μm焦距的传统双曲相位超透镜相比，其焦深提升达到了约为17.3倍同时保持了均匀分布的焦斑，且实际焦深覆盖范围达到逆向设计中的目标焦深；文中还对一维扩展焦深超透镜的聚焦特性进一步进行了测试分析，结果显示，焦深范围内最低半峰全宽约为1.46μm，平均聚焦效率可达约为30%、最高聚焦效率31.8%；此外，当光波以非零角度离轴入射时，透镜都可以展现出类似于通常入射时的扩展焦深属性。本文设计的一维扩展焦深超透镜在近红外生物医学显微领域有较为广泛的应用前景。 （2）设计了工作于980nm波长、由圆柱形纳米单元构成的二维超透镜，通过利用二维超透镜的旋转对称分布特性，将前文中提出的遗传算法逆向设计流程扩展到了二维超透镜的场景，最终以双过程式优化设计得到二维的扩展焦深超透镜。仿真结果显示，二维的扩展焦深超透镜焦深达到约83.5μm，与相同孔径下焦距100μm的双曲相位超透镜相比，焦深提升约为5.39倍；此外，逆向设计的扩展焦深超透镜能在较大的轴向范围内保持近高斯分布式的径向场强分布以及呈点状的截面场强分布，最后计算得到焦深范围内的最高效率约为32.8%。该逆向设计的二维扩展焦深超透镜同样展现出较高焦深提升的同时保持了较为均匀的焦斑分布，这为其在近红外生物医学成像领域带来了广阔的应用前景；此外，文中取得的结果充分证明了双过程式遗传算法优化的可行性。
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