CN104932043A - 一种基于金属微纳结构天线阵列的反射式离轴透镜 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于金属微纳结构天线阵列的反射式离轴透镜，包括衬底层、反射层、光学薄膜匹配层和金属微纳结构天线层。每一个金属微纳结构天线的朝向均不同，通过特定排布，可实现将平行入射的激光反射汇聚在与入射光束同侧的任意方向上，可应用于激光离轴光学系统中。由金属微纳结构天线阵列构造的反射式离轴透镜，不仅可连续调制入射光的位相，且仅需简单的一次光刻工艺步骤即可制造完成，因此具有设计灵活、加工简单、结构紧凑等突出优点。

Description

一种基于金属微纳结构天线阵列的反射式离轴透镜

技术领域

本发明涉及应用光学领域，尤其涉及一种基于金属微纳结构天线阵列构造的反射式离轴透镜。

背景技术

反射式离轴光学系统具有口径大、轻量化、无中心遮拦等突出优点，常常用于实现高精度的空地观测系统和高倍率的激光扩束天线系统。但传统离轴透镜存在两个问题：1、受加工能力限制，其透镜面型一般只能设计成对称结构，通过旋转透镜的位置来实现离轴，这造成装校和使用都非常不便；2、为了消除离轴像差，往往具有非球面面型甚至高次曲面面型；这种复杂的面型结构，目前无论是加工和检测都面临很大的困难和挑战，因此限制了离轴系统广泛的应用。目前，基于平面结构的衍射光学元件(Diffractive Optical Elements)具有逐点的位相调节功能，有望替代传统材料实现的离轴透镜。但衍射光学元件也有两个突出的问题：1、衍射光学元件是通过浮雕表面的起伏大小来调节位相，因此如果要实现较大的离轴量，衍射光学元件的表面起伏将变得剧烈，因此需要很高的像元分辨率来保证像质，这提升了对器件工艺分辨率的要求和制造成本；2、如果要实现较高的系统透过率，需要更多的台阶数来逐点细化位相，这同样面临工艺复杂性和制造成本。离轴透镜在应用光学领域有着巨大的应用前景，但传统材料透镜和衍射光学元件透镜存在上述显著缺点，因此业类亟待新技术的更新和革命。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是按照金属天线位相调制原理和离轴功能要求设计金属天线阵列的排布方式，可实现将平行入射激光反射后汇聚在任意指定的方向上。为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种基于金属微纳结构天线阵列的反射式离轴透镜，所述离轴透镜包括有四层结构，由下至上依次为衬底层、反射层、光学薄膜匹配层、金属微纳结构天线层；所述的金属微纳结构天线层包括由多个金属微纳结构天线构成的阵列；在金属微纳结构天线层上建立xoy坐标系，位于坐标(x_i,y_i)处金属微纳结构天线的长边方向代表长轴，短边方向代表短轴，长轴与x轴的夹角θ(x_i,y_i)用于调节该点的位相，且满足：

$\mathrm{\θ}(x_i,y_i)=\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}.\mathrm{mod}(\sqrt{{(x_i-x_0)}^2+{(y_i-y_0)}^2+z_0^2}-\sqrt{{x_0}^2+{y_0}^2+z_0^2},\mathrm{\λ})---\left(1\right)$

其中，λ为工作波长，离轴透镜聚焦点的坐标为(x₀,y₀,z₀)，其由离轴透镜使用要求指定。

所述金属微纳结构天线层中的金属微纳结构天线为长方体结构，长宽高均为亚波长尺寸；且每一个金属微纳结构天线的朝向均不同，通过排布金属微纳结构天线，可以将平行入射的激光反射汇聚在与入射光束同侧的任意方向上。

入射光必须为圆偏振光，且垂直照射在天线阵列表面。

所述反射层和金属微纳结构天线的材料为金；所述光学薄膜匹配层的材料为氟化镁。

金属微纳结构天线可采用标准光刻工艺制造：1)沉积金属天线材料薄膜层；2)涂镀光刻胶；3)电子束直写或者光刻机曝光；4)显影；5)离子刻蚀。

其它膜层(反射层、匹配层)可采用标准镀膜工艺制造，如蒸镀、离子溅射、电子束等。

金属微纳结构天线位相调节原理为，金属微纳结构天线工作时可等效为半波片。以琼斯矩阵计算，入射的左/右旋圆偏光的琼斯矢量分别为 $\left[\begin{array}{c}1\\ \±i\end{array}\right],$ 已知半波片的琼斯矩阵为 $\left[\begin{array}{cc}cos2\mathrm{\θ}& sin2\mathrm{\θ}\\ sin2\mathrm{\θ}& -cos2\mathrm{\θ}\end{array}\right],$ 其中θ为半波片快轴与x方向的夹角，则经过金属天线出射后的光矢量为

从公式(2)可以看出，出射光经过金属微纳结构天线后旋向反转，同时经历了2θ的位相延迟。因此仅需通过调整θ的大小(也就是金属微纳结构天线在xoy坐标平面内的旋转角度)，就可以调节和控制出射光的位相。对网格化离轴透镜每一个格点处的金属微纳结构天线进行排列以满足相应的位相延迟的要求就可以实现任意方向的聚焦功能。

本发明所涉及的金属微纳结构天线离轴透镜与传统反射式透镜、以及衍射光学元件相比，具有以下优点和积极的效果：

1、金属微纳结构天线离轴透镜是纯平面结构，易于对准和装校；

2、金属微纳结构天线对位相排布方式不敏感，即实现任意位相分布也只需

一次光刻工艺、即无需增加工艺复杂程度，这一点和传统透镜和传统衍射光

学元件是迥然不同的；

3.通过材料的优选以及结构的优化，使得单个金属微纳结构天线对入射光波

的位相调制作用达到最佳状态。

附图说明

图1是本发明中离轴透镜各层结构示意图。

图2是本发明中离轴透镜轴外聚焦示意图。

图3是本发明中实施例给出的金属微纳结构阵列离轴透镜的三维结构示意图。

图中，1-金属微纳结构天线；2-氟化镁匹配层；3-金反射层；4-基底硅。

具体实施方式

下面以具体实施例结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，离轴透镜包含若干不同朝向排布的金属微纳结构天线阵列。其工作模式为反射式，有四层结构，从下至上：第一层为衬底层(基底硅4)，第二层为反射膜层(金反射层3)，第三层为薄膜匹配层(氟化镁匹配层2)，第四层为金属天线层(金属微纳结构天线1)，其各层结构如图1所示。金属微纳结构天线阵列离轴透镜，基底材料为硅，其位相调制和衬底材料为金，匹配层材料为氟化镁。

实施例

本实施例为利用介质金属微纳结构阵列构造反射式离轴透镜的实施过程。

如图2所示，在透镜工作面上建立坐标系，选取工作波长λ＝830nm，透镜口径D＝10mm，焦点F₀位置为(4mm,5mm,10mm)，透镜焦距计算为 $F=\sqrt{4^2+5^2+{10}^2}\≈12mm.$

首先，采用现有的Comsol电磁仿真软件，针对λ＝830nm开展微纳天线的结构优化工作，使得其电磁响应达到最优状态：即位相调制作用和能量利用效率组合最优化。本实施例中，优化后的金属微纳结构天线长L＝200nm，宽W＝80nm，厚H＝30nm，周期C＝300nm，匹配层氟化镁的厚度为90～110nm，反射层金的厚度为130nm。

第二步，由于透镜口径为D＝10mm，单个天线的周期为C＝300nm，因此对离轴透镜的工作面使用33333*33333(D/C≈33333)的矩阵进行网格化，每一个格点处设计放置一个特定朝向的金属微纳结构天线；

第三步，根据离轴透镜的工作波长λ和离轴后的焦点位置(x₀,y₀,z₀)以及公式(1)计算离轴透镜任意一个格点P(x_i,y_i)处单个金属微纳结构所需的转角θ(x_i,y_i)，从而设计出整个工作面上金属微纳结构天线的排布。比如，依据公式(1)计算(1mm,3mm)处微纳天线的转角为174.3°，而(-1mm,-3mm)处微纳天线的转角为16.3°等。

获得金属微纳结构天线的角度排布和单个金属微纳结构天线的结构参数后，离轴透镜的具体结构就已经完全确定。由于本实施例的微纳结构天线的数量过于庞大，图3给出部分离轴透镜排布的示意图。

第三步，采用前面所述的工艺制造金属微纳结构阵列离轴透镜。

第四步，采用λ＝830nm的准直激光光源，配合起偏器和四分之一玻片，即可实验验证金属微纳结构阵列离轴透镜的离轴聚焦功能。其具体做法为：准直激光光源发出一束激光通过起偏器变为线偏振光，线偏振光透过四分之一玻片转换成圆偏振光，圆偏振光再垂直照射离轴透镜，在(x₀,y₀,z₀)位置处实现离轴聚焦功能。

该离轴透镜设计灵活，任意改变离轴透镜的设计波长λ值和焦点位置(x₀,y₀,z₀)值，即可实现任意工作波长、任意焦点离轴聚焦的反射式离轴透镜。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出任何的修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于金属微纳结构天线阵列的反射式离轴透镜，其特征在于：所述离轴透镜包括有四层结构，由下至上依次为衬底层、反射层、光学薄膜匹配层、金属微纳结构天线层；所述的金属微纳结构天线层包括由多个金属微纳结构天线构成的阵列；在金属微纳结构天线层上建立xoy坐标系，位于坐标(x_i,y_i)处金属微纳结构天线的长边方向代表长轴，短边方向代表短轴，长轴与x轴的夹角θ(x_i,y_i)用于调节该点的位相，且满足：

$\mathrm{\θ}(x_i,y_i)=\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}.\mathrm{mod}\left(\sqrt{{(x_i-x_0)}^2+{(y_i-y_0)}^2+z_0^2}-\sqrt{{x_0}^2+{y_0}^2+z_0^2},\mathrm{\λ}\right)$

其中，λ为工作波长，离轴透镜聚焦点的坐标为(x₀,y₀,z₀)，其由离轴透镜使用要求指定。

2.根据权利要求1所述的一种基于金属微纳结构天线阵列的反射式离轴透镜，其特征在于：所述金属微纳结构天线层中的金属微纳结构天线为长方体结构，长宽高均为亚波长尺寸。

3.根据权利要求1所述的一种基于金属微纳结构天线阵列的反射式离轴透镜，其特征在于：所述反射层和金属微纳结构天线的材料为金；所述光学薄膜匹配层的材料为氟化镁。