CN111897036A

CN111897036A - 消色差微透镜阵列超表面

Info

Publication number: CN111897036A
Application number: CN202010775233.4A
Authority: CN
Inventors: 匡登峰; 梁宁; 向梦
Original assignee: Nankai University
Current assignee: Nankai University
Priority date: 2020-08-05
Filing date: 2020-08-05
Publication date: 2020-11-06

Abstract

一种消色差微透镜阵列超表面。该超表面器件由不同旋转角度的介质纳米柱及衬底构成，依据Pancharatnam Berry相移的产生，将不同旋转角度的金属纳米柱进行阵列式排布，实现对出射电磁波波前的操纵。入射到器件的不同波长平面波经过超表面的相位调制，均能够以汇聚球面波的形式出射，并且将汇聚到同一焦点，实现消色差微透镜的效果。本发明提供了小型超薄的高分辨率高效率的介质型平面光学器件，在显微镜、望远镜、相机等成像器件的小型化和集成化领域有重要应用价值。

Description

消色差微透镜阵列超表面

技术领域

本发明属于微纳光学和光学成像领域，涉及微光学器件、亚波长结构以及集成光学，特别是一种针对多波长实现消色差和聚焦功能的微透镜阵列超表面器件。

背景技术

超表面是一种由亚波长结构构成的二维平面器件，电磁波与构成超表面的亚波长结构之间的相互作用，会引起相位、振幅以及偏振态的变化，这种引起突变的单元结构以不同的形状、尺寸或方向周期性排列构成超表面，相比于传统的衍射型光学器件，超表面不仅仅对电场响应，也可以对磁场响应，并且调控尺寸小于波长，并且，相比于传统的光学成像技术，超表面技术具有设计自由度高、体积小、便于集成化的优势。随着微纳米加工技术的发展，光学超表面技术为现代光学成像技术指引了新的方向。

发明内容

本发明目的是为解决多波长透镜聚焦下的消色差问题，提供一种基于不同尺寸和不同旋转角度的介质纳米柱及衬底组合排布构成的微透镜阵列超表面器件。

本发明提出利用多种不同响应波长的介质纳米柱，将其通过一定方式组合排布构成超表面器件，可实现多波长消色差的聚焦微透镜功能。

所述的介质纳米柱的排布位置和旋转角度θ依据该器件的相位分布和Pancharatnam Berry相移原理确定，该器件在直角坐标系下的相位分布为：

介质纳米柱的旋转角度θ为：

其中：λ是入射光波长，f是设计的焦距，x，y是超表面透镜上每一点到透镜中心点的坐标。

通过改变纳米柱的长宽和衬底的尺寸，能得到对不同波长响应的单元，将多种波长响应的单元按一定规律排布，并按照该器件的相位分布排布纳米柱的位置和旋转角度θ，可实现多波长消色差的微透镜阵列超表面。

本发明的优点和积极效果：

本发明提供的消色差微透镜阵列超表面器件，当圆偏振光垂直衬底入射时，器件对入射圆偏光具有无色散的几何相位调控作用，并且通过对不同响应波长的纳米柱单元的排列组合，将不同波长的入射光聚焦到同一焦点，实现了消除色差的功能。

本发明提供的消色差微透镜阵列超表面器件，解决了传统光学设计中为了消除色差而使用结构复杂、体积庞大的透镜的问题，从而实现传统光学透镜的微型化，为紧凑型光学系统的搭建提供了新思路。

附图说明

图1是消色差微透镜阵列超表面器件的工作原理示意图。

图2是由介质纳米柱和衬底构成的相位调制结构示意图。其中(a)是相位调制超表面基本单元的主视图；(b)是相位调制超表面基本单元的右视图；(c)是相位调制超表面基本单元的俯视图；(d)是消色差微透镜阵列超表面器件的俯视图以及局部放大下红(R)、绿(G)、蓝(B)三种波长对应的超表面响应纳米柱单元的排布方式。

图3是不同波长右旋圆偏振光垂直入射该器件后的聚焦光场分布示意图。其中图3(a)、 (b)分别是λ₁＝405nm时电场E在焦平面xy和器件中心x方向切平面yz的强度分布图，图3(c)、(d)分别是λ₂＝513nm时电场E在焦平面xy和器件中心x方向切平面yz的强度分布图，图3(e)、(f)分别是λ₃＝700nm时电场E在焦平面xy和器件中心x方向切平面 yz的强度分布图。

具体实施方式

实施例1

如图2(d)所示，本发明中的消色差微透镜阵列超表面器件，由介质的纳米柱及衬底构成，纳米柱的排布位置和旋转角度θ按照该器件的相位分布和几何相位调控原理确定，该器件在直角坐标系下的相位分布为：

本发明中消色差微透镜阵列超表面器件的制作可采用电子束光刻(EBL)和反应离子蚀刻(RIE)来实现。其具体步骤如下：

(1)首先通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)在平面SiO₂衬底上生长TiO₂层。然后再使用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)沉积Al₂O₃掩模层；

(2)然后通过电子束光刻(EBL)曝光和显影，定义结构的表面轮廓；

(3)用磁控溅射法沉积Cr层作为蚀刻掩模并剥离；

(4)通过反应离子蚀刻(RIE)将图案转移到TiO2层。然后通过使用电感耦合等离子体反应离子蚀刻(ICP-RIE)蚀刻具有图案的Al₂O₃掩模层的衬底。再用缓冲氧化物蚀刻(BOE)溶液剥离图案化的硬掩模层，得到消色差微透镜阵列超表面。

具体应用实例1

消色差微透镜阵列超表面器件的具体参数以如下为例：

衬底材料为二氧化硅(SiO₂)，纳米柱材料为二氧化钛(TiO₂)，入射光为右旋圆偏振光，波段为可见光(375～800nm)，选取红(700nm)、绿(513nm)、蓝(405nm)三种典型波长，对应三种波长响应的纳米柱长宽以及对应的衬底尺寸如表格所示：

波长	lp(μm)	wp(μm)	p(μm)
				λ<sub>1</sub>＝405nm	0.15	0.04	0.2
λ<sub>2</sub>＝513nm	0.25	0.095	0.325
				λ<sub>3</sub>＝700nm	0.385	0.1	0.43

三种波长响应的纳米柱的高度h均为0.6μm，衬底厚度H均为0.2μm，设计焦距为 10μm，每个纳米柱的位置及旋转角度θ由器件的相位分布确定。

图1是消色差微透镜阵列超表面器件的工作原理图，该器件可将不同波长的入射光聚焦出射到同一焦点，实现消色差微透镜的功能。

图2由介质的纳米柱和衬底构成的能够对交叉圆偏振光进行调制实现消色差聚焦的微透镜阵列超表面器件。其中：(a)是超表面器件基本单元的主视图；(b)是超表面器件基本单元的侧视图；(c)是超表面器件基本单元的俯视图；(d)是超表面器件的三维俯视图以及局部细节图。通过从0到π旋转介质纳米柱光轴角θ，其交叉偏振光(与入射圆偏振光的旋向相反)的相位可以覆盖整个0到2π范围。每个纳米柱的位置及旋转角度θ由该器件的相位分布确定。红(R)、绿(G)、蓝(B)三种波长对应的介质柱单元尺寸不同，通过一定的规律将其组合排布在衬底上，从而实现消色差的设计。

图3是右旋圆偏振光垂直入射该器件后的聚焦光场分布示意图。图3(a)、(b)分别是λ₁＝405nm时电场E在焦平面xy和器件中心x方向切平面yz的强度分布图，图3(c)、(d) 分别是λ₂＝513nm时电场E在焦平面xy和器件中心x方向切平面yz的强度分布图，图 3(e)、(f)分别是λ₃＝700nm时电场E在焦平面xy和器件中心x方向切平面yz的强度分布图。消色差微透镜阵列超表面器件对入射圆偏振光进行调制并聚焦，设计焦距为10μm 的2×1的微透镜阵列，利用时域有限差分法(FDTD)计算得到器件在不同波长的光入射在焦点处均有较好的聚焦效果。

当圆偏振光垂直从器件衬底垂直消色差微透镜阵列超表面器件之后，该器件对入射圆偏振光具有无色散的几何相位调控作用，并且出射交叉圆偏振光带有一个非连续相位调制φ＝±2θ。通过改变纳米柱长宽及衬底尺寸能够得到对不同波长响应的单元，将不同波长响应的纳米柱单元按照一定的规律构成元胞组合成超表面器件，按照该器件的相位分布排布不同波长响应的纳米柱的位置和旋转角度θ，可实现对多种波长入射光的聚焦效果。该器件实现了消色差微透镜阵列的聚焦功能并且通过重复增加结构数量可实现N×N的消色差微透镜阵列超表面。

Claims

1.一种消色差微透镜阵列超表面器件，其特征在于：该器件依据Pancharatnam Berry相移的产生，由阵列式排布的不同旋转角度的介质纳米柱和衬底构成，该器件在直角坐标系下的相位分布为：

2.根据权利要求1所述的消色差微透镜阵列超表面器件，其特征在于构成该器件的介质纳米柱及衬底单元具有无色散的几何相位调控功能。当圆偏振光从衬底垂直入射，用琼斯矢量表示：

出射光可表示为：

其中：t_x、t_y分别为介质柱材料两个主轴的复投射振幅，θ为纳米柱的旋转角度，±和

表示左旋偏振光和右旋偏振光的情况。入射光为单一圆偏振光时，出射光包含两种旋向的圆偏振态，一部分为与入射光旋向相同的圆偏振光，另一部分与为与入射光旋向相反相反的圆偏振光，并且具有一个非连续相位调制：φ＝±2θ。

3.根据权利要求1或2所述的消色差微透镜阵列超表面器件，其特征在于可将不同波长的入射光聚焦到同一焦点。通过改变纳米柱长宽及衬底尺寸能够得到对不同波长响应的单元，将不同波长的响应单元即不同尺寸的纳米柱，按一定规律组合排布在同一尺寸的衬底上，并按照该器件的相位分布组合排布纳米柱的位置和旋转角度θ，可实现多波长的消色差透镜超表面。

4.根据权利要求1或2所述的消色差微透镜阵列超表面器件，其特征在于介质的纳米柱和衬底的响应波长存在较大差异，纳米柱采用大折射率材料，如：氮化镓、二氧化钛氮化硅等。