基于元启发式方法的超紧凑高数值孔径消色差多级衍射透镜

近来，多级衍射透镜（MDLs）因其优越的波聚焦性能而备受关注；然而，校正色差的努力仍在进行中。在此，我们展示了在微波频段$10 GHz$ - $14 GHz$工作、高数值孔径（NA）（${\sim}0.99$）、衍射极限消色差多级衍射透镜（AMDL）的数值设计与实验演示。将多目标差分进化（MO-DE）算法与三维时域有限差分（3D FDTD）方法相结合，以优化AMDL结构每个同心环（环带）的高度和宽度。在本研究中，期望焦距${\Delta}F_d$首次作为优化参数与环带结构参数一同处理。换言之，MO-DE通过提供相位分布裁剪的替代方法，降低了对预定焦距和中心波长的依赖。所提出的AMDL可视为超紧凑透镜，其半径为$3.7{\lambda_c}$，其中${\lambda_c}$为中心波长（即$12 GHz$频率），且为厚度${\lambda_c}$的平面透镜。数值计算的全半高宽（FWHM）值低于$0.554{\lambda}$，聚焦效率值在$28{\%}$至$45.5{\%}$之间变化。为实验演示优化透镜的功能，通过3D打印技术制备了由聚乳酸材料（PLA）聚合物构成的AMDL。数值与实验结果进行了比较并详细讨论，观察到两者之间良好的一致性。此外，将微波频段中已验证的AMDL缩放至可见光波长，以观察$380 nm$ - $620 nm$波长间的消色差与衍射极限聚焦行为。