CN111158070B

CN111158070B - 一种基于全介质超表面的双层消色差透镜

Info

Publication number: CN111158070B
Application number: CN202010115091.9A
Authority: CN
Inventors: 徐挺; 王艺霖; 范庆斌
Original assignee: Nanjing University
Current assignee: Nanjing University
Priority date: 2020-02-25
Filing date: 2020-02-25
Publication date: 2021-09-28
Anticipated expiration: 2040-02-25
Also published as: CN111158070A

Abstract

本发明公开了一种基于全介质超表面的消色差透镜，包括：基底和基底上的双层超表面；所述基底上覆盖一层低介电常数材料层，第一纳米结构单元分布在基底表面并填充在低介电常数材料层中，第二纳米结构单元分布在低介电常数材料层表面，第一纳米结构单元和第二纳米结构单元采用不同的相位分布，形成双层超表面。本发明提出的双层消色差透镜解决了消色差光学器件满足所需的相位色散与效率之间的相互制约问题，有利于实现高性能的宽带消色差器件，同时有利于器件集成光学系统的结合。

Description

一种基于全介质超表面的双层消色差透镜

技术领域

本发明属于纳米光子学领域，特别涉及一种基于全介质超表面的双层消色差透镜。

背景技术

色散是光学材料的重要属性之一，在设计光学组件和系统中扮演着重要的角色。传统的折射光学通过传播的方式对相位进行积累，正色散材料(例如玻璃)的折射率随着波长的增加而减小，因此在红光处折射透镜有更大的焦距而棱镜有更小的偏振角度。而在衍射光学中，元件通过振幅或相位对光的干涉作用来工作，表现出相反的色散特性，这导致衍射元件在长波有更短的焦距，更大的偏折角。消色差元件则是通过级联一些具有互补色散特性的材料来实现的，例如消色差双合器件以及三合器件。然而，这一方法常常增加了器件的重量和复杂度，限制了他们的进一步应用。

超表面是一种新颖的二维人工材料，它由亚波长尺度下的人工微结构按特定功能需求排列而成，可实现对入射电磁波的相位、振幅和偏振的灵活调控，其新颖的机制和灵活的调控方式使其具有广泛的应用前景。近年来，国内外研究学者基于此对消色差器件进行了广泛的研究。目前为止，很多课题组实现了多波长的消色差超透镜，例如Avayu等人通过堆叠由不同材料的金属圆盘构成的超表面实现了可见光波段的三波长消色差透镜，Faraon等人在近红外波段实现了双波长的消色差超透镜，随着人们对更多波长消色差的需求，宽带宽的消色差被提出，在可见光波段，Capasso等人利用二氧化钛实现了200nm带宽的消色差，Tao Li等人利用氮化硅实现了260nm带宽的消色差，而在近红外波段，Tao Li等人实现了400nm带宽的消色差，Nanfang Yun等人实现了450nm带宽的消色差。

由上述研究可知，目前在可见光和近红外波段均报道了很多消色差器件，但是这些器件普遍具有较低的效率，因此如何在相位色散及效率之间进行权衡仍然是一个突出的问题，这便需要我们提出一种新的消色差方案。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的问题，提供一种基于全介质超表面的双层消色差透镜。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种基于全介质超表面的双层消色差透镜，包括：基底和基底上的双层超表面；

所述基底上覆盖一层低介电常数材料层，第一纳米结构单元分布在基底表面并填充在低介电常数材料层中，第二纳米结构单元分布在低介电常数材料层表面，第一纳米结构单元和第二纳米结构单元采用不同的相位分布，形成双层超表面。

进一步的，两层纳米结构单元的分布需满足以下条件：

其中：

为第一纳米结构单元的聚焦相位；

为第二纳米结构单元的相位色散；(x,y)为以结构中心为原点纳米结构单元在结构上的位置坐标；λ_max为消色的最大波长；f为整个透镜的焦距；λ为入射波长；

为补偿相位。

进一步的，基底采用低介电常数的介质材料制成，如石英玻璃、氟化钙、氟化钡或红外硫系玻璃。

进一步的，第一纳米结构单元和第二纳米结构单元采用相同材料或不同材料制成，为高介电常数的低损耗介质材料或半导体材料，如氮化镓、二氧化铪、二氧化钛、氮化硅、硅或锗。

进一步的，基底和纳米结构单元的介电常数的比值在1:1.2～1:3.5。

进一步的，纳米结构单元采用准周期或者周期性排布，每个纳米结构单元周期基底的边长为P，P为0.3λ～0.8λ，λ为入射光波波长，其中第一纳米结构单元和第二纳米结构单元的周期相同或不相同。

进一步的，纳米结构单元的高度为H，H为0.4λ～1.8λ，其剖面形状尺寸为特征尺寸，特征尺寸为0.1P～0.9P，P为每个纳米结构单元周期基底的边长。

进一步的，纳米结构单元剖面的形状为正方形、长方形、圆形或椭圆形。

进一步的，低介电常数材料层中低介电常数材料为SU8光刻胶、AZ光刻胶、玻璃或氟化物。

本发明提供的一种基于全介质超表面的双层消色差透镜选择高折射率低损耗材料作为纳米结构单元(第一纳米结构单元和第二纳米结构单元统称为纳米结构单元)，通过调节纳米单元结构的尺寸可以实现较高的偏振转化效率；选用特定参数的纳米单元结构，构成整个超表面阵列，可以实现宽波段消色差功能。纳米结构单元的剖面形状为椭圆形或长方形。

因此，相比现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提出的双层消色差透镜有利于实现高性能的消色差器件，有利于器件与集成光学系统的结合，此外它既可以实现偏振相关器件也可以用来实现偏振无关器件。

2、由于基底为低介电常数的介质材料，超表面结构的材料为较高介电常数的低损耗介质材料或者半导体材料，加上单元结构效率较高，因此本发明提出的方案具有较高的效率。

3、基于超表面结构的双层消色差方案可以用来设计大数值孔径，大直径，大带宽以及高效率器件，这利用现有的消色差方案很难实现，因此本发明在解决所需的相位色散与效率之间的相互制约问题方面具有重要意义。

附图说明

图1是实施例双层消色差透镜侧视图，其中，1-硅，2-SU8，3-二氧化硅，h₁-850 nm，h₂-1500nm。

图2是实施例上层纳米单元结构的俯视图，其中，P₁＝550nm。

图3是实施例下层纳米单元结构的俯视图，其中，P₂＝500nm。

图4是实施例上层纳米单元结构在不同波长下的偏振转化效率。

图5是实施例中仿真的第一纳米结构结构在不同直径d和不同波长下的相位图。

图6是实施例中仿真的双层消色差透镜的x-z平面内电场强度分布图，波长1000-1700nm，每隔50nm获取一张电场强度分布图。

图7是实施例中仿真的双层消色差透镜在不同波长下得到的衍射效率(方块所示点)和聚焦效率(三角所示点)。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

实施例

以石英玻璃为基底，硅为纳米结构单元材料，下层填充材料选用SU8光刻胶，根据此方案设计了一款工作在近红外波段的双层消色差透镜。

首先，在近红外波段选择一个波长λ作为消色差透镜工作的中心波长，根据设计透镜的焦距f，直径D，可以确定出透镜的数值孔径，并计算得到未消色差超透镜的相位分布。对于正入射的平面波聚焦，双层结构中的上层纳米结构单元(即第二纳米结构单元)的排列需满足消色差超透镜所需要的聚焦相位，表达式如下：

其中，以结构中心为原点，(x,y)为结构上的位置坐标，λ_max为消色的最大波长，f为整个透镜的焦距。

此外，双层结构中的下层纳米结构单元(即第一纳米结构单元)的排列需要满足消色差超透镜所需要的相位色散，表达式如下：

其中，以结构中心为原点，(x,y)为结构上的位置坐标，λ_max为消色的最大波长，f为整个透镜的焦距，λ_max为消色差的最大波长，λ为入射波长。其中，由于纳米结构提供的色散是负色散，而我们消色差所需要的色散是正色散，因此提供了一个额外的补偿相位

它只与波长相关，与位置无关。

这种基于全介质超表面的双层消色差透镜，通过调节纳米单元结构的尺寸可以实现较高的偏振转化效率。纳米结构单元的剖面可以是任意几何图形，例如长方形或椭圆形。基底为低介电常数的低损耗材料，如透明玻璃，氟化钙，氟化钡，以及红外硫系玻璃等。全介质超表面纳米结构单元的材料为较高介电常数的低损耗介质材料或者半导体材料，例如氮化镓，二氧化铪，二氧化钛，硅，氮化硅，锗等。本实施例下层纳米单元结构剖面为圆形的硅柱，上层纳米单元结构横截面为长方形的硅柱，利用该方案实施了一款双层消色差透镜，透镜侧视图如图1所示，双层微结构超表面阵列包括三个部分，1为硅介质纳米结构单元(纳米柱)，2为SU8光刻胶填充物，3为石英玻璃基底，纳米柱高度h₁＝850nm(上层)，h₂＝1500nm(下层)，上层和下层纳米单元结构的俯视图分别如图2和3所示，P是每个周期单元基底的边长，周期P₁＝550nm(上层)，P₂＝500nm(下层)，特征尺寸D_x＝420nm，D_y＝190nm。

通过FDTD的仿真计算，得到上层结构在不同波长下的偏振转化效率，如图4所示。此外还可以得到下层结构在不同直径与不同波长下的相位，如图5所示。在选择结构时，应选取频率与相位的关系呈线性变化的结构。本发明实施例中通过对入射光的波长，消色差超透镜的焦距，数值孔径，直径等数值的设计，确定了消色差透镜双层所需要的不同相位分布，根据该分布，以周期性P＝500nm将不同直径的纳米结构单元离散的分布在超表面上，形成有特定规律的纳米单元阵列。上层结构则利用几何相位来满足透镜所需要的聚焦相位分布，因此当光波入射到消色差超透镜时，经过双层纳米单元阵列的调制，不同波长的透射光波将汇聚在同一焦距f＝355μm处。

根据上述的理论设计，本实施例设计了一块工作中心波长为1350nm的，带宽为700nm的近红外消色差透镜，其直径D为100μm，f＝345μm。通过FDTD的仿真验证，其x-z平面的电场分布图如图6所示，衍射效率与聚焦效率如图7所示，可以计算出，平均衍射效率为80.94％，平均聚焦效率63.11％，证实了双层消色差超透镜的消色差能力。

上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于全介质超表面的双层消色差透镜，其特征在于包括：基底和基底上的双层超表面；

所述基底上覆盖一层低介电常数材料层，第一纳米结构单元分布在基底表面并填充在低介电常数材料层中，第二纳米结构单元分布在低介电常数材料层表面，第一纳米结构单元和第二纳米结构单元采用不同的相位分布，形成双层超表面；所述两层纳米结构单元的分布需满足以下条件：

其中：

为第一纳米结构单元的聚焦相位；

为第二纳米结构单元的相位色散；(x,y)为以结构中心为原点纳米结构单元在结构上的位置坐标；λ_max为消色差的最大波长；f为整个透镜的焦距；λ为入射波长；

为补偿相位；

所述纳米结构单元采用准周期或者周期性排布，每个纳米结构单元周期基底的边长为P，P为0.3λ～0.8λ，λ为入射光波波长，其中第一纳米结构单元和第二纳米结构单元的周期相同或不相同；

所述纳米结构单元的高度为H，H为0.4λ～1.8λ，其剖面形状尺寸为特征尺寸，特征尺寸为0.1P～0.9P，P为每个纳米结构单元周期基底的边长。

2.根据权利要求1所述的基于全介质超表面的双层消色差透镜，其特征在于：所述基底采用低介电常数的介质材料制成，为石英玻璃、氟化钙、氟化钡或红外硫系玻璃。

3.根据权利要求1所述的基于全介质超表面的双层消色差透镜，其特征在于：所述第一纳米结构单元和第二纳米结构单元采用相同材料或不同材料制成，为高介电常数的低损耗介质材料或半导体材料，为氮化镓、二氧化铪、二氧化钛、氮化硅、硅或锗。

4.根据权利要求3所述的基于全介质超表面的双层消色差透镜，其特征在于：所述基底和纳米结构单元的介电常数的比值在1:1.2～1:3.5。

5.根据权利要求1所述的基于全介质超表面的双层消色差透镜，其特征在于：所述纳米结构单元剖面的形状为正方形、长方形、圆形或椭圆形。

6.根据权利要求1所述的基于全介质超表面的双层消色差透镜，其特征在于：所述低介电常数材料层中低介电常数材料为SU8光刻胶、AZ光刻胶、玻璃或氟化物。