CN104898191B - 一种基于超材料的中红外波段超薄平板透镜 - Google Patents

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Abstract

一种基于超材料的中红外波段超薄平板透镜，包括圆形氟化钡平板基底；圆形氟化钡平板基底上刻有V字形金属棒结构，V字形金属棒结构上镀有金膜；所述V字形金属棒结构上分别把不同相位的V字形金属棒结构排列于不同半径r处，不同V字形金属棒结构沿径向排布，形成同心环；其中，每个同心圆环上排布的V字形金属棒结构相同。本发明首次提出利用16组V字形金属棒结构连续调控相位的方法，利用光刻与镀膜结合的方法加工中红外波段的平板透镜，与传统凸透镜相比，通过V字形金属棒结构相位调控替代传统曲面的傅里叶变换功能，该透镜具有超薄和平板的特征，从而大大降低了重量与体积。

Description

一种基于超材料的中红外波段超薄平板透镜
技术领域
本发明属于微纳加工技术领域，涉及一种基于超材料的中红外波段超薄平板透镜。
背景技术
随着航天领域的迅速发展，航天光学技术问题对成像系统集成化、小型化以及高分辨率提出了更高的要求。然而，传统透镜是通过塑造透镜的形状从而改变光程差来实现成像的，随着透镜半径的增大，对加工的要求越来越苛刻，同时透镜质量不可避免的迅速变大，不再能够满足集成化，小型化的要求。另一方面，传统成像受到衍射极限的限制，无法实现提高分辨率的想法。当天然材料的光学性质无法满足需求的时候，向人工材料的研究自然会成为备受关注的焦点。近几十年来，等离激元学以及超构材料领域的迅速发展,为寻找光学高品质的人工材料提供了许多新方法,比如负折射材料以及各向异性人工材料等。人工超构材料是由大量金属微纳结构组成的人工复合材料，基于人工超构材料的研究成果多集中于微波波段，应用于通讯领域，而在红外可见光波段针对平面波聚焦成像的研究较少。国际上具备平面波聚焦成像功能的平板透镜，其对应的成像波段是通讯波段(1550nm)，透镜的直径约为1mm，焦距7mm。目前，国内外尚无中红外波段(中心波长10.6μm，带宽1μm)的大尺寸(cm级)平板透镜。本发明填补了中红外波段聚焦成像平板透镜的领域空白，而且首次加工直径在厘米级，厚度在毫米量级的超薄平板透镜，为后续更大尺寸的商业级超薄平板透镜提供借鉴。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于超材料的中红外波段超薄平板透镜，解决在航天成像领域传统透镜厚度大，重量大，聚焦受到透镜形状的影响的问题。
本发明的技术方案是：一种基于超材料的中红外波段超薄平板透镜，包括圆形氟化钡平板基底；圆形氟化钡平板基底上刻有V字形金属棒结构，V字形金属棒结构上镀有金膜；所述V字形金属棒结构设计如下：
根据完美聚焦相位分布公式：其中λ是自由空间的波长，f是平板透镜的焦距，r是V字形金属棒结构距离平板透镜中心的距离，分别把不同相位的V字形金属棒结构排列于不同半径r处，不同V字形金属棒结构沿径向排布，形成同心环；其中，每个同心圆环上排布的V字形金属棒结构相同，且个数n＝2πr/a，其中a为每个V字形金属棒结构所占据的正方形空间的边长。
所述圆形氟化钡平板基底厚度为1mm，半径为10mm。
所述相位为每隔π/8增加相位值，共16组V字形金属棒结构；其中每组V字形金属棒结构包括两个金属棒单元，且两个金属棒单元形状尺寸相同；16组V字形金属棒结构中的8组V字形金属棒结构单元的长度h分别为1.78、1.5、1.33、1.18、1.13、0.98、1和0.68μm，对应每组V字形金属棒结构中两个金属棒单元的夹角Δ分别为45°、45°、60°、60°、90°、90°、180°和180°；其中，以平板透镜基底为平面建立平面直角坐标系，每组两个金属棒单元形成的夹角Δ的开口方向与平板透镜基底XY平面上的X轴正向夹角为45°；16组V字形金属棒结构中的另外8组V字形金属棒结构单元的长度h分别为1.78、1.5、1.33、1.18、1.13、0.98、1和0.68μm，对应每组V字形金属棒结构中两个金属棒单元的夹角Δ分别为45°、45°、60°、60°、90°、90°、180°和180°，其中，每组两个金属棒单元形成的夹角Δ的开口方向与平板透镜基底XY平面上的X轴正向夹角为-45°。
所述平板透镜的焦距f＝3mm，每个V字形金属棒结构所占据的正方形空间的边长a＝5μm；每个金属棒单元线宽约为1μm。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明与传统凸透镜相比，其面型为超薄平板，大大降低了透镜的质量和大小，实现了成像系统的集成化和小型化。
(2)本发明首次提出了16组不同形状的金属棒设计，首次解决了平板透镜在小半径区域成像效果不佳的问题。
(3)本发明利用人工超构材料实现透镜制备，其特殊的光学性质将会为未来实现超分辨率成像提供可能的办法。
附图说明
图1为本发明平板透镜基板上V字形金属棒结构布局设计版图。
具体实施方式
利用V字形金属棒结构电共振效应，可以将共振区域附近的金属微纳结构看做纳米天线。考虑到入射光波长远大于纳米天线长度，因此金属纳米天线可以等效于电偶极子，V字形金属棒结构天然具有两种共振激发方式，即对称模式(Symmetric mode)和反对称模式(Antisymmetric mode)。由于入射光在两个方向的激发效果不同，使得两个方向的振动相互转化，实现从入射偏振(A)波到出射偏振(B)波的特殊相位变化。其中，A波B波振动相互垂直。具体计算时利用Maxwell方程和具体的边界条件计算相应的电磁波的吸收与辐射效果。
本发明以圆形氟化钡作为平板基底(厚度约为1mm，半径约为10mm)，针对中红外波段(9.6～11.6um)设计透镜焦距f＝3mm。利用光刻方法将设计的V字形金属棒结构(线宽约为1μm)图案转移到BaF2基片上，形成V字形金属棒结构凹槽结构，采用电子束蒸发方法在基片镀上金(Au)膜，覆盖在V字形金属棒结构凹槽结构上，随后进行基片清洗去除表面多余的Au膜，即获得了超薄平板透镜。
对称模式(Symmetric mode)和反对称模式(antisymmetric mode)这两种模式的共振激发效果主要取决于V字形金属棒结构的金属棒单元长度和金属棒单元间夹角。另一方面，由于V字形金属棒结构存在间隙，因此仍然存在正常折射的光。通过改变V字形金属棒结构型结构在基底上的密度，以及V字形金属棒结构的金属棒单元长度h、金属棒单元间夹角Δ、线宽等控制光的相位变化以及反常折射光的光强。针对上述变量的合理选择问题，通过FDTD数值模拟方法，对不同的V字形金属棒结构进行计算获取振幅变化以及相位变化与V字形金属棒结构参数的关系数据，将图1中透过率较高的点取出来，然后根据这些数据具体细化参数选择，最终选出8组最佳数据作为一组V字形金属棒结构来制作平板透镜。本实施例中优选出8组典型的V字形金属棒结构，其金属棒单元长度h分别为1.78、1.5、1.33、1.18、1.13、0.98、1和0.68μm，以及对应金属棒单元间的夹角Δ分别为45°、45°、60°、60°、90°、90°、180°和180°，引起的相位变化分别为-π/2、-3π/8、-π/4、-π/8、0、π/8、π/4和3π/8，其中V字形金属棒结构的开口方向与平板透镜XY平面X轴正向夹角为45°。通过逆时针旋转90°获得另外8组V字形金属棒结构，其中V字形金属棒结构的开口方向与平板透镜XY平面X轴正向夹角为-45°，共16组不同形状的V字形金属棒结构包含0～2π相位变化。
与传统凸透镜类似，根据互易原理，对于一个聚焦透镜，需满足相位分布方程其中λ是自由空间的波长，r是V字形金属棒结构距离平板透镜中心原点的距离，f是透镜的焦距，是相位。具体的V字形金属棒结构排布方法如下：首先，以平板透镜中心为原点，间隔π/8增加相位值，根据相位分布公式计算出对应相位值的V字形金属棒结构距离中心原点的值，即对应的半径值r。半径值相同的V字形金属棒结构是相同的，形成圆环，不同半径处V字形金属棒结构的不同，因此形成多个同心圆环，且每个圆环上V字形金属棒结构的个数n＝2πr/a，其中a是V字形金属棒结构所占据的正方形空间的边长，在我们的设计中a＝5μm。其中，同一圆环上的V字形金属棒结构的开口方向与平板透镜XY平面X轴正向夹角值一致。根据上述方法，生成了基于16组V字形金属棒结构的平板透镜设计版图，如图1所示。由于圆环的疏密正比于相位方程的梯度，因此在透镜中心附近结构比较稀疏，随着半径增大，结构越来越紧密。以上是通用的方法，具体到我们的平板透镜设计中，其中平板透镜上同心圆环最内圈的半径由决定，根据透镜焦距f＝20mm，λ＝10.6μm，其中n为整数，r值约为1.8mm。
对本发明平板透镜加工过程包括①利用匀胶机在氟化钡(BaF2)基底上旋涂光刻胶，转速为4000rpm，时间为30s；②基底在涂胶后，置于干燥箱内烘干，温度为100℃，时间为15min；③利用设计好的掩模板进行光刻，曝光时间9s；④将基片置于显影液中，时间为17s，显影液为江化ZX238或自制显影液；⑤离子水冲洗基片1min时间；⑥将基片置于，置于干燥箱内烘干，温度为100℃，时间为15min，取出冷却；⑦镀膜前用40sccm流速的Ar气，清洗残留光刻胶9min；⑧用电子束蒸发方法，在基片上镀Au膜，镀膜速率为0.5A/s，真空度<7x10-4Pa；⑨镀膜后基片放入丙酮中静置13min，然后置于超声波机内进行超声3min，随后将基片置于酒精溶液内进行超声3min，取出将样品吹干。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (3)

1.一种基于超材料的中红外波段超薄平板透镜，其特征在于：包括圆形氟化钡平板基底；圆形氟化钡平板基底上刻有V字形金属棒结构，V字形金属棒结构上镀有金膜；所述V字形金属棒结构设计如下：
根据完美聚焦相位分布公式：其中λ是自由空间的波长，f是平板透镜的焦距，r是V字形金属棒结构距离平板透镜中心的距离，分别把不同相位的V字形金属棒结构排列于不同半径r处，不同V字形金属棒结构沿径向排布，形成同心环；其中，每个同心圆环上排布的V字形金属棒结构相同，且个数n＝2πr/a，其中a为每个V字形金属棒结构所占据的正方形空间的边长；所述相位为每隔π/8增加相位值，共16组V字形金属棒结构；其中每组V字形金属棒结构包括两个金属棒单元，且两个金属棒单元形状尺寸相同；16组V字形金属棒结构中的8组V字形金属棒结构单元的长度h分别为1.78、1.5、1.33、1.18、1.13、0.98、1和0.68μm，对应每组V字形金属棒结构中两个金属棒单元的夹角Δ分别为45°、45°、60°、60°、90°、90°、180°和180°；其中，以平板透镜基底为平面建立平面直角坐标系，每组两个金属棒单元形成的夹角Δ的开口方向与平板透镜基底XY平面上的X轴正向夹角为45°；16组V字形金属棒结构中的另外8组V字形金属棒结构单元的长度h分别为1.78、1.5、1.33、1.18、1.13、0.98、1和0.68μm，对应每组V字形金属棒结构中两个金属棒单元的夹角Δ分别为45°、45°、60°、60°、90°、90°、180°和180°，其中，每组两个金属棒单元形成的夹角Δ的开口方向与平板透镜基底XY平面上的X轴正向夹角为-45°。
2.根据权利要求1所述的一种基于超材料的中红外波段超薄平板透镜，其特征在于：所述圆形氟化钡平板基底厚度为1mm，半径为10mm。
3.根据权利要求1所述的一种基于超材料的中红外波段超薄平板透镜，其特征在于：所述平板透镜的焦距f＝3mm，每个V字形金属棒结构所占据的正方形空间的边长a＝5μm；每个金属棒单元线宽约为1μm。
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