微米级圆柱结构在可见光波段的聚焦效应

本研究面向光电探测器灵敏度提升等应用领域对聚光器件的迫切需求，提出一种基于微米尺寸量级圆柱结构的平顶衍射聚焦器件。该结构基于衍射波前调控机制，在实现与传统曲面透镜相当聚焦性能的同时，通过平顶几何设计与微米级特征尺寸，有效降低了传统透镜曲面结构与常规超透镜纳米量级尺寸所带来的加工复杂度。研究从衍射基本理论出发，讨论基于微米结构的聚焦现象，并通过有限时域差分法展开数值模拟仿真，深入分析圆柱材料、高度、半径等对聚焦效应的影响。分析结果表明：高度为1 μm、半径为1.9 μm的玻璃圆柱在640 nm波长处可通过类聚焦效应实现11.6倍的光场增强，实验测量与数值仿真呈现了良好的一致性。初步验证了在可见光波段且结构尺寸与入射波长可比拟条件下，时域有限差分这一仿真方法的适用性。多波长分析结果显示，微米级圆柱可以在350~ 750 nm的宽谱可见光波段内保持稳定的聚焦能力，高度为1 μm、半径为0.5 μm的玻璃圆柱在可见光宽带范围内的增益系数最低值达2.5倍，且结构对入射光的偏态性不敏感。该设计所采用的微米级尺寸结构、平顶几何特征及与基底材料的一致性，从根本上降低了器件加工复杂度，不仅有助于调和光学性能与制造可行性之间的矛盾，更为后续大规模阵列集成及结构适用带宽扩展奠定了技术基础。