CN105549130B - 一种基于偏振态控制的双档变焦透镜 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于偏振态控制的双档变焦透镜，在光的前进方向上，依次设有起偏器、1/4波片、透镜1和透镜2，透镜1和透镜2采用由纳米砖阵列构造的平面纳米砖透镜，纳米砖阵列中各纳米砖的尺寸相同，相邻纳米砖的中心间隔相同，纳米砖的转角根据距离透镜中心距离确定。这种双档变焦透镜的特点在于，仅需要将照射纳米砖超材料结构透镜的圆偏光的旋向改变(即1/4波片转动90°)，两片纳米砖超材料结构透镜的焦距值均会变成原来焦距值的相反数，从而实现组合透镜的变焦功能。这种偏振控制的双档变焦透镜具有变焦简单、体积小、重量轻、高度集成、可以批量复制等诸多优势，可广泛用于光子集成、激光加工等领域。

Description

一种基于偏振态控制的双档变焦透镜

技术领域

本发明涉及微纳光学及偏振光学领域，尤其涉及一种基于偏振态控制的双档变焦透镜。

背景技术

双档、甚至多档变焦透镜在很多领域有着重要的应用。比如在中波红外成像领域，需要在不改变透镜后截距(无需调焦)的前提下，实现大视场目标的发现(短焦情形)和小视场目标的识别(长焦情形)。再比如在激光加工领域，需要把相同的激光光束在不同的工况下聚焦成大小不同的光点，因此需要变焦镜头，或者更换不同焦距的定焦镜头实现。传统透镜实现变焦的方法是：通过优化光学系统的结构设计，在光轴方向移动变焦透镜组，实现组合透镜焦距的改变。这种方法需要复杂和巧妙的光学设计，并且需要精密的机械结构配合实现透镜组的移动，因此不仅造成系统设计和制造成本增加，而且加工出的光学系统体积重量都较大，给实际应用带来诸多不便。现代光学系统都向着小型化、微型化发展，因此传统的双档变焦透镜也急需新原理、新方法、新技术的突破。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是通过一种基于超颖表面材料制造的微纳结构透镜组合，实现只需要改变入射光的偏振态、就可以实现变焦的方法。

本发明技术方案提供一种基于偏振态控制的双档变焦透镜，在光的前进方向上，依次设有起偏器、1/4波片、透镜1和透镜2，

所述起偏器，用于将入射激光转为线偏光；

所述1/4波片，用于将线偏光转为圆偏光；

所述透镜1和透镜2是成像聚焦透镜，采用由纳米砖阵列构造的平面纳米砖透镜，每个纳米砖为无定形硅薄膜材料，并且沉积在熔融石英玻璃衬底表面；纳米砖为长方体，其长宽高均为亚波长尺寸；纳米砖阵列中各纳米砖的尺寸相同，相邻纳米砖的中心间隔相同，距离透镜中心为r位置处的纳米砖的转角φ(r)采用下式确定，

其中，r为纳米砖中心与透镜中心的距离，f'为透镜焦距，2φ(r)为改变的位相，φ(r)为距离透镜中心r位置处、纳米砖长轴与x轴的夹角，λ为入射光的波长；

当将1/4波片转动90°时，则照射纳米砖超材料结构透镜的圆偏光的旋向改变，透镜1和透镜2的焦距值均变为原焦距值的相反数，就能改变透镜1和透镜2的组合焦距。

而且，设f'₁和f'₂分别为透镜1和透镜2的焦距，d为两透镜的距离，令

则变焦比为a倍以上，a>1。

而且，令

则变焦比为3倍以上。

和目前已经实现的或被报导的透镜变焦方法相比，本发明所涉及的一种基于偏振态控制的双档变焦透镜具有以下优点和积极效果：

1、本发明所涉及的纳米砖变焦透镜不仅光学结构简单，而且机械结构也非常简单，其仅需要两片纳米砖透镜、波片转动90°(传统变焦需要轴向移动透镜)就可以实现透镜组的变焦，因此纳米砖变焦透镜是变焦技术的重要理论和方法的突破。

2、纳米砖变焦透镜的制造方法完全不同于传统变焦透镜，其采用微电子光刻工艺制造，且可以批量复制，在成本上有较大的优势。

3、纳米砖变焦透镜体积小、重量轻、结构紧凑，符合未来光学系统小型化的目标，极具发展前景。

附图说明

图1是本发明实施例中纳米砖单元结构示意图。

图2是本发明实施例中纳米砖单元结构俯视图。

图3是本发明实施例中平面纳米砖透镜的纳米砖排布示意图。

图4是本发明实施例中平面纳米砖透镜的单个纳米砖调节位相的原理示意图。

图5是本发明实施例基于偏振态控制的双档变焦系统结构示意图。

图6是本发明实施例基于偏振态控制的双档变焦系统的短焦情形结构示意图。

图7是本发明实施例基于偏振态控制的双档变焦系统的长焦情形结构示意图。

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。

近年来，超颖表面材料(metasurface)赋予了人们更多精密操控光波电磁场的发展空间。超颖表面材料是一种二维的超材料，即在光学材料表面刻画出周期性的微纳结构。这种微纳结构对入射光波具有特殊的调控作用，可等效为可逐点变化的各向异性材料、超大(>10)、超小(～0)、负(<0)折射率材料，从而精密操控入射光波电磁场。

超颖表面材料的各向异性意味着其对入射波偏振态敏感。进一步的研究表明，优化设计的超颖表面材料纳米砖，可以等效为一个高效的半波片，这种半波片不仅能够使入射的圆偏光经过半波片后产生位相延迟，而且不同偏振态的圆偏光所经历的位相延迟正好符号相反。因此，由半波片微结构阵列构成的偏振透镜，采用不同的偏振光照明，将在不移动透镜的前提下，实现不同的组合焦距，这就是基于偏振态控制的双档变焦透镜的工作原理。

为达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种基于偏振态控制的双档变焦透镜，从光的前进方向算起，依次由四个部分组成：(1)起偏器：用于将入射激光转为线偏光；(2)1/4波片：用于将线偏光转为圆偏光；(3)透镜1：成像聚焦透镜，由纳米砖阵列组成；(4)透镜2：成像聚焦透镜，由纳米砖阵列组成。

所述的透镜1和透镜2，纳米砖为无定形硅薄膜材料(即非晶硅材料)，并且沉积在熔融石英玻璃衬底表面(即衬底为二氧化硅材料)；纳米砖为长方体，其长宽高均为亚波长尺寸；实施例的纳米砖参见图1和图2，其中，1-纳米砖，采用非晶硅材料；2-衬底，采用二氧化硅材料；L为纳米砖长度，W为纳米砖宽度，H为纳米砖高度，C为纳米砖单元大小，φ为纳米砖转角。图4中，f’为平面纳米砖透镜的焦距，r为纳米砖距透镜中心的距离，φ(r)为距透镜中心为r的纳米砖的转角。

纳米砖阵列单元中纳米砖的尺寸相同，相邻硅纳米砖的中心间隔相同；参见图3，以透镜中心为原点，可以建立三维坐标系，光的前进方向为z轴，纳米砖层上则为xoy平面坐标系，多个纳米砖单元按行列排列组合而成的圆形平面超材料器件，具有透镜的性质。

纳米砖阵列单元通过各纳米砖朝向角的不同来对其响应的波长进行位相调节，如图4所示，从而实现透镜的位相调节功能。

所述的透镜1和透镜2，两者相隔一定距离，对任一种旋向的圆偏光入射时，透镜焦距设计值的符号相反。将照射纳米砖超材料结构透镜的圆偏光的旋向改变(即1/4波片转动90°)，两片纳米砖超材料结构透镜的焦距值均会变为原焦距值的相反数。例如，若入射光为右旋圆偏光，透镜1的焦距是-4mm，透镜2的焦距是2.56mm，若入射光为左旋圆偏光，透镜1的焦距是4mm，透镜2的焦距是-2.56mm。

纳米砖位相调节原理为：

在纳米砖层上建立xoy坐标系后，纳米砖的长边方向代表长轴，短边方向代表短轴，长轴与x轴的夹角为朝向角，记作φ。由晶体光学知识可知，半波片的琼斯矩阵可以表示为：其中φ为半波片长轴与x轴夹角。入射在某纳米砖的左旋或者右旋圆偏光，其琼斯矢量可以表示为：因此透过纳米砖之后的光束的琼斯矢量表示为

由(1)式可以看出，透射光的旋向相反，同时将经历±2φ的位相延迟。因此通过调整φ的大小(也就是纳米砖在xoy坐标平面内的朝向角)，就可以调节和控制出射光的位相。

根据双档变焦透镜组的结构，要求制作两个平面纳米砖透镜，它们由纳米砖阵列构成。由纳米砖的位相调节原理及透镜聚焦原理，透镜上不同位置上纳米砖调节的位相差等于：

其中，r为纳米砖中心与透镜中心的距离，f'为透镜焦距，2φ(r)为改变的位相，φ(r)为距离透镜中心r位置处、纳米砖长轴与x轴的夹角，λ为入射光的波长。这样就可以通过其朝向角的不同来对其响应的波长进行位相调节，从而实现透镜的位相调节功能。

纳米砖透镜组变焦原理为：

由(1)式可以看出，入射圆偏光的旋向相反时，其经历的位相也正好相反。这意味着由纳米砖构成的透镜，在入射光的旋向发生改变时，透镜的焦距将变成数值相等、但符号相反的另一焦距。因此，由两个不同焦距的透镜进行组合后，在入射光的旋向改变时，这两个透镜的焦距分别变成它们各自原焦距的相反数，组合透镜的焦距也随即发生改变，从而实现变焦功能。

因此，可在两个透镜前放置一个λ/4波片，让一束线偏振光垂直入射到波片上，使偏振方向与波片的快轴方向成45°角，这样出射的就是一束平行的圆偏振光，此圆偏振光经过两个透镜后，由组合光学系统的焦距公式(3)，

可以算出两组合透镜的焦距，也即双档变焦系统的第一档焦距F'₁，其中，f'₁和f'₂分别为透镜1和透镜2的焦距，d为两透镜的距离。又

此为焦面到透镜2的距离f_b1，也即此组合光学系统的工作距。

接着，把λ/4波片旋转90°角，使慢轴方向与线偏振光的偏振方向成45°角，这样出射的光就是与原先的圆偏振光旋向相反的圆偏振光，由纳米棒的原理可知，两透镜的性质将发生变化，原先的正透镜变成负透镜，负透镜变成正透镜，且焦距变为原来的相反数，可得：

即为双档变焦光学系统的第二档焦距F'₂，且工作面的距离f_b2为：

双档变焦的光学系统，先假定f'₁＞0，f'₂＜0，需要保持系统的焦面位置不变，即(4)、(6)两式相等，可令变量m＝f'₁,n＝f'₁+f'₂，则要使f_b1＝f_b2＝f_b,即变量f_b不变，系统的后截距不变(无需调焦)，则需满足

即

m·n＝d² (8)

若要求此光学系统的变焦比为a倍以上(a>1)，则F'₁＞aF'₂，由(3)、(5)式，得

该系统除了要满足(8)、(9)之外，还必须保持焦面在系统的外侧，经计算得到，一个变焦比为a倍以上的双档变焦光学系统的f'₁、f'₂和d参数必须满足以下：

由(10)式可知，只要选取合适的焦距和距离，就能保证光学系统在焦面位置不变的情况下、完美地实现变焦比为a倍以上的基于偏振态控制的双档变焦。

以a＝3为例，令

则变焦比为3倍以上。

图5和图6、图7中，f₁为透镜1的焦距值，f₂为透镜2的焦距值，f_b为组合透镜的后截距，d为透镜1和2的间距。

本实施例提供一种基于偏振态控制的双档变焦透镜的具体实施过程。

作为实施例，选取通信波段主波长λ＝1.55μm。

然后，针对这个主波长，可以采用电磁仿真软件Comsol对单元结构参数进行设计和仿真，仿真以左旋(或者右旋)圆偏光垂直入射、以透射的右旋(或者左旋)圆偏光的转化效率及响应带宽作为优化对象。扫描单元结构长宽尺寸C、非晶硅纳米砖宽度W和高度H、纳米砖长度L，以期获得最佳参数。要求每种硅纳米砖仅对主波长附近窄带宽内波段响应，且交叉偏振(左旋→右旋，或右旋→左旋)转化效率最高、同向偏振(左旋→左旋，或右旋→右旋)转化效率最低。经优化计算，得到优化参数为：C＝650nm，W＝230nm，H＝750nm，L＝440nm。图1是纳米砖单元结构示意图。图2是纳米砖单元结构俯视图。具体实施时，本领域技术人员可自行根据需要预先进行仿真设定。

根据双档变焦透镜组的结构要求，设计两个平面纳米砖透镜的结构排布方式，由此制作透镜1、透镜2。图3是本发明中平面纳米砖透镜的纳米砖排布示意图，平面纳米砖透镜正是由如图1所示的纳米砖单元排布而成的超材料结构透镜。图4是平面纳米砖透镜中单个纳米砖调节位相的原理示意图。距离透镜中心为r位置处的纳米砖的转角φ(r)由公式(2)确定。因此，根据纳米砖朝向角的不同来对其响应的波长进行逐点的位相调节，由此来构造纳米砖平面聚焦器件。

图5是基于偏振态控制的双档变焦系统的结构示意图，图6、图7分别是基于偏振态控制的双档变焦系统的短焦和长焦情形俯视图。

设计两个透镜的距离d＝2.4mm。首先，当入射光经过1/4波片变成右旋圆偏光时，设计透镜1的焦距f′₁＝-4mm，透镜2的焦距f′₂＝2.56mm，根据组合系统的焦距公式(3)，得到系统的总焦距F'₁＝2.67mm。再由焦面位置的计算公式(4)，得到焦面到透镜2的距离f_b1＝4.267mm。

然后，将1/4波片旋转90°，此时透过波片的光变成左旋圆偏光，透镜1的焦距变为原焦距的相反数4mm，透镜2的焦距变为原焦距的相反数-2.56mm。根据组合系统的焦距公式(5)，得到系统的总焦距F'₂＝10.7mm。再由焦面位置的计算公式(6)，得到焦面到透镜2的距离f_b2＝4.267mm。

因此，说明此基于偏振态控制的变焦系统能在不改变透镜后截距(f_b1＝f_b2，因此无需调焦)的前提下，完美地实现双档变焦。

Claims (3)

1.一种基于偏振态控制的双档变焦透镜，其特征在于：在光的前进方向上，依次设有起偏器、1/4波片、透镜1和透镜2，

所述起偏器，用于将入射激光转为线偏光；

所述1/4波片，用于将线偏光转为圆偏光；

所述透镜1和透镜2是成像聚焦透镜，采用由纳米砖阵列构造的平面纳米砖透镜，每个纳米砖为无定形硅薄膜材料，并且沉积在熔融石英玻璃衬底表面；纳米砖为长方体，其长宽高均为亚波长尺寸；纳米砖阵列中各纳米砖的尺寸相同，相邻纳米砖的中心间隔相同，距离透镜中心为r位置处的纳米砖的转角φ(r)采用下式确定，

$2\mathrm{\&phi;}\left(r\right)=\frac{2\mathrm{\&pi;}}{\mathrm{\&lambda;}}(\sqrt{r^2+f^{\&prime;2}}-f^{\&prime;})$

其中，r为纳米砖中心与透镜中心的距离，f'为透镜焦距，2φ(r)为改变的位相，设建立三维坐标系，光的前进方向为z轴，纳米砖层上为xoy平面坐标系，φ(r)为距离透镜中心r位置处、纳米砖长轴与x轴的夹角，λ为入射光的波长；

当将1/4波片转动90°时，则照射纳米砖超材料结构透镜的圆偏光的旋向改变，透镜1和透镜2的焦距值均变为原焦距值的相反数，就能改变透镜1和透镜2的组合焦距。

2.根据权利要求1所述基于偏振态控制的双档变焦透镜，其特征在于：设f₁'和f₂'分别为透镜1和透镜2的焦距，d为两透镜的距离，令

$\left\{\begin{array}{c}{f}_1^{\&prime;}>0\\ f_2^{\&prime;}<0\\ d<f_1^{\&prime;}\\ f_1^{\&prime;}(f_1^{\&prime;}+f_2^{\&prime;})=d^2\\ f_1^{\&prime;}+f_2^{\&prime;}<d<\frac{a+1}{a-1}(f_1^{\&prime;}+f_2^{\&prime;})\end{array}\right.$

则变焦比为a倍以上，a>1。

3.根据权利要求2所述基于偏振态控制的双档变焦透镜，其特征在于：

令

$\left\{\begin{array}{c}{f}_1^{\&prime;}>0\\ f_2^{\&prime;}<0\\ d<f_1^{\&prime;}\\ f_1^{\&prime;}(f_1^{\&prime;}+f_2^{\&prime;})=d^2\\ f_1^{\&prime;}+f_2^{\&prime;}<d<2(f_1^{\&prime;}+f_2^{\&prime;})\end{array}\right.$

则变焦比为3倍以上。