CN111624692B - 基于纳米微腔的光学滤波透镜设计及多波长消色差技术 - Google Patents

基于纳米微腔的光学滤波透镜设计及多波长消色差技术 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于纳米微腔的光学滤波透镜设计及多波长消色差技术。具有滤波功能的波带片由银反射层和银‑二氧化硅‑银透射层构成，银‑二氧化硅‑银透射层对单一波长响应，滤波的中心波长由银‑二氧化硅‑银透射层的厚度决定。利用其实现多波长消色差聚焦的方法为：确定多波长消色差聚焦的波长；将透射层中二氧化硅层的厚度与选取波长对应；根据波带片设计公式完成对多波长消色差聚焦的共同设计；将不同的结构与各个环带需要的透射效果相对应，实现多波长消色差聚焦。本发明将滤波和聚焦功能集成在一个波带片上，可实现多波长消色差聚焦的设计，同时具有结构简单、尺度小易于集成等优点，可广泛应用于滤波、聚集、消色差成像等光学领域。

Description

基于纳米微腔的光学滤波透镜设计及多波长消色差技术
技术领域
本发明属于衍射光学和光学薄膜技术领域，尤其涉及一种基于纳米微腔的光学滤波透镜设计及多波长消色差技术。
背景技术
菲涅尔波带片是一种重要的光学元件，它具有类似透镜成像的功能，且具有普通透镜所不具备的优点如设计简单、轻便、可折叠等。其中振幅型波带片，由透明和不透明的圆环组成，通过对透光和不透光圆环的位置进行设计，就可以实现光波聚焦位置的操控，制造和设计十分简单。同时由于色散现象的存在，导致不同波长的光波焦点位置不同，这将对透镜的成像带来影响，一般的消色差透镜是通过双胶合透镜，利用不同玻璃材料间的色散补偿，来达到一定程度上的消色差功能。滤光片是通过颜料或者光学薄膜技术，实现对某一特定光波波段具有选通作用，从而滤去其他波段的光波。随着对光学系统的小型化、集成化的要求和趋势，普通的聚焦透镜或者消色差透镜存在体积限制，将各种光学器件的功能进行集成化也是一项挑战，例如将聚焦与滤光功能集成，因此如何将各种光学器件变得更紧凑、更小型化、多功能化等，亟待新的技术创新和革命。
发明内容
针对现有技术中的不足，本发明提供了一种基于纳米微腔的光学滤波透镜设计及多波长消色差技术。
为实现上述目的，本发明提供的一种基于纳米微腔的光学滤波透镜设计及多波长消色差技术，其特征在于：设计得到一种基于纳米微腔的滤波波带片，所述滤波波带片由银反射层和金属-电介质-金属透射层构成；所述金属-电介质-金属透射层对单一波长响应，所述银反射层对应振幅型波带片中不透光环带，所述金属-电介质-金属透射层对应振幅型波带片中透过的环带；所述金属-电介质-金属透射层按照从上之下的层次依次排布；滤波的中心波长由金属-电介质-金属透射层的厚度决定；利用该滤波波带片可实现多波长消色差聚焦。
作为优选方案，所述银反射层和金属-电介质-金属透射层均为亚波长尺度；所述金属-电介质-金属透射层由银-二氧化硅-银层构成，即为银-二氧化硅-银透射层。
进一步地，确定多波长消色差聚焦的波长；将银-二氧化硅-银透射层中二氧化硅层的厚度与选取的各个波长对应；根据波带片设计公式针对各个波长完成对多波长消色差聚焦的共同设计；将不同的结构与各个环带需要的透射效果相对应，以实现多波长消色差聚焦。
更进一步地，具体步骤如下：
1)首先确定波带片的结构为振幅型波带片，由银反射层作为振幅型波带片中不透明带，由银-二氧化硅-银透射层作为振幅型波带片中透明波带；
2)利用电磁仿真软件FDTD Solutions对银-二氧化硅-银透射层进行优化模拟：
在确定银-二氧化硅-银透射层中银层厚度后，改变二氧化硅层的厚度可以改变透射光波的中心波长，在确定的两个中心波长λ1和λ2后，通过扫描得到对应的二氧化硅层厚度；取银-二氧化硅-银透射层作为波带片中的透明波带，取银反射层作为波带片中的不透明层；
3)多波长的消色差效果波带片的设计：
选取两个波长进行消色差聚焦设计，光波的中心波长分别为：λ1和λ2；
根据波带片的设计公式
Figure BDA0002499719750000021
其中ρ为波带片的半径，j为波带片的环数，f为焦距，λ为入射光波波长；根据振幅型波带片具有透和不透两种情况可知，在将两个焦点相同，工作波长不同的波带片共同设计时存在四种情况分别为：
①λ1透过，λ2透过；②λ1透过，λ2不透；③λ1不透，λ2不透；④λ1不透过，λ2透过；
以上的四种情况分别对应于四种结构，分别为：
Ⅰ.二氧化硅全透层；Ⅱ.二氧化硅层为d1的银-二氧化硅-银透射层，λ1透射；Ⅲ.银反射层；Ⅳ.二氧化硅层为d2的银-二氧化硅-银透射层，λ2透射；
4)用上述四种结构设计的双波长消色差波带片，可以将λ1和λ2的光聚焦在相同的位置，即可实现双波长消色差波带片用于消色差聚焦的效果。
与传统的波带片以及透镜类光学器件相比，本发明具有如下优点和有益效果：
(1)同时将滤光功能和聚焦功能集成在一个波带片上，且结构简单，同时还具有超微尺寸，易于集成等重要优点。
(2)通过调节金属-电介质-金属层中电介质层的厚度，就可以实现对滤光光波中心波长的调节，设计十分简单。
(3)本发明设计的多波长消色差波带片，可以多个特定波长进行消色差聚焦，且波带片尺度不会发生变化，可应用于消色差聚焦成像等重要光学领域。
附图说明
图1是本发明中具有滤光功能的波带片的结构示意图；
图2是本发明中波带片的结构具体结构构成示意图；
图3是本发明实施例中银-二氧化硅-银透射层的透射率随二氧化硅层厚度变化的仿真效果图；
图4是本发明实施例中具有滤光功能波带片用于滤光聚焦的仿真效果图；
图5是本发明中多波长消色差波带片的结构示意图；
图6是本发明中多波长消色差波带片具体结构构成示意图
图7是本发明实施例中多波长消色差波带片用于消色差聚焦的仿真效果图
图中：t为银反射层的厚度、h为银-二氧化硅-银透射层中银的厚度、d为银-二氧化 硅-银透射层中二氧化硅的厚度。
具体实施方式
为了更清楚的说明本发明的设计方案以及其实现的功能，下面以具体实施例结合附图对本发明作进一步说明。
实施例1
本实施例为一种可滤波超薄波带片的具体设计过程，及利用其实现多波长消色差聚焦的具体实施方法。
作为实施例，首先确定波带片的结构为振幅型波带片，如图1所示，由银反射层作为振幅型波带片中不透明带，由银-二氧化硅-银透射层作为振幅型波带片中透明波带，其中图2为银反射层和银-二氧化硅-银透射层结构示意图。利用电磁仿真软件FDTDSolutions对银-二氧化硅-银透射层进行优化模拟，在确定银-二氧化硅-银透射层中银层厚度为27nm后，改变二氧化硅层可以改变透射光波的中心波长，在确定的两个中心波长λ1＝600nm和λ2＝500nm后，通过扫描得到对应的二氧化硅层厚度分别为d1＝150nm和d2＝114nm，其透射效率情况如图3所示。取二氧化硅层为150nm即透射中心波长为600nm的银-二氧化硅-银透射层作为波带片中的透明波带，取54nm厚度的银反射层作为波带片中的不透明层。图4展示了这种具有滤光功能波带片设计的仿真效果，从图中可以看出，只有600nm的光透过波带片时可以实现一定程度上的聚焦，而其他波段并无聚焦效果。
本实施例中，多波长的消色差效果波带片的设计，选取两个波长进行消色差聚焦设计，光波的中心波长分别为:600nm和500nm，根据波带片的设计公式
Figure BDA0002499719750000041
其中ρ为波带片的半径，j为波带片的环数，f为焦距，λ为入射光波波长。由设计公式可知对于同一焦距，不同的波长，所对应的波带片半径是不同。在本实施例的设计中，根据振幅型波带片具有透和不透两种情况可知，在将两个焦点相同，工作波长不同的波带片共同设计时存在四种情况，如图5所示。对于本实施例四种情况分别为：500nm透过，600透过；500nm不透，600nm透过；500nm不透，600不透；500透过，600不透。以上的四种情况分别对应于图6中的四种结构，分别为：二氧化硅全透层；二氧化硅层为150nm的银-二氧化硅-银透射层(600nm透射)；银反射层；二氧化硅层为114nm的银-二氧化硅-银透射层(500nm透射)。用这四种结构设计的双波长消色差波带片，可以将600nm和500nm的光聚焦在相同的位置，图7为双波长消色差波带片用于消色差聚焦的效果。

Claims (1)

1.一种基于纳米微腔的光学滤波波带片的制备方法，其特征在于：确定多波长消色差聚焦的波长；将银-二氧化硅-银透射层中二氧化硅层的厚度与选取的各个波长对应；根据波带片设计公式针对各个波长完成对多波长消色差聚焦的共同设计；将不同的结构与各个环带需要的透射效果相对应，以实现多波长消色差聚焦；
具体步骤如下：
1)首先确定波带片的结构为振幅型波带片，由银反射层作为振幅型波带片中不透明带，由银-二氧化硅-银透射层作为振幅型波带片中透明波带；
2)利用电磁仿真软件FDTD Solutions对银-二氧化硅-银透射层进行优化模拟：
在确定银-二氧化硅-银透射层中银层厚度后，改变二氧化硅层的厚度可以改变透射光波的中心波长，在确定的两个中心波长λ1和λ2后，通过扫描得到对应的二氧化硅层厚度；取银-二氧化硅-银透射层作为波带片中的透明波带，取银反射层作为波带片中的不透明层；
3)多波长的消色差效果波带片的设计：
选取两个波长进行消色差聚焦设计，光波的中心波长分别为：λ1和λ2；
根据波带片的设计公式
Figure FDA0002989269350000011
其中ρ为波带片的半径，j为波带片的环数，f为焦距，λ为入射光波波长；根据振幅型波带片具有透和不透两种情况可知，在将两个焦点相同，工作波长不同的波带片共同设计时存在四种情况分别为：
①λ1透过，λ2透过；②λ1透过，λ2不透；③λ1不透，λ2不透；④λ1不透过，λ2透过；
以上的四种情况分别对应于四种结构，分别为：
Ⅰ.二氧化硅全透层；Ⅱ.二氧化硅层为d1的银-二氧化硅-银透射层，λ1透射；Ⅲ.银反射层；Ⅳ.二氧化硅层为d2的银-二氧化硅-银透射层，λ2透射；
4)用上述四种结构设计的双波长消色差波带片，可以将λ1和λ2的光聚焦在相同的位置，即可实现双波长消色差波带片用于消色差聚焦的效果。
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