短波红外带宽无色差金属透镜

1.8-2.3 μm 波段位于短波红外（SWIR）区域，是量子感知、分子光谱学以及自由空间量子和经典光通信等广泛应用的关键窗口。尽管存在重要意义，但该带宽光学器件仍面临两个主要挑战：跨谱范围的色差和因笨重光学元件导致的集成困难。金属透镜由亚波长纳米结构组成，可局部控制光的相位和群时延，从而实现波前成形和宽带色散补偿。这些能力使其成为红外光学系统的有前景的选择，尤其是紧凑型器件中的成像和聚焦。本研究提出基于 CaF$_2$ 基底的金属透镜设计，其中每个纳米单元由硅棒结构组成。这些纳米单元以 900 nm 周期排列，实现对色散和相位的控制。通过系统微调棒的长宽比，设计实现了色散补偿与相位调制的同步，实现 1800-2300 nm 波段内稳定的聚焦性能，焦距偏差小于 6%。有限时域时间域（FDTD）仿真显示有效抑制色差，焦点极化分布分析表明偏振度随波长变化较小，归因于高数值孔径焦区内空间变化的偏振状态以及纳米结构的各向异性响应随波长变化。该设计为 SWIR 波段的光束整形和波前控制提供了紧凑、带宽、高性能的解决方案，展现出面向量子通信和感知系统的广阔潜力。