CN112147778A - 一种超构透镜及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种超构透镜及其制作方法，该方法通过确定超构透镜的焦点；在截面组件的截面层中设定超构透镜面型的设计变量；截面组件包括基底、截面层以及完美匹配层，且截面组件内分布有激励波；根据设计变量进行截面层内预选材料和真空相对介电常数的指数幂律混合材质插值，确定预选材料的分布位置，得到超构透镜的剖面结构构型，以使焦点处电场能量密度极大化；其中，预选材料为超构透镜的材料，将剖面结构构型沿超构透镜的对称轴旋转，得到超构透镜的结构构型；根据结构构型加工得到超构透镜。根据所需的超构透镜逆向设计结构构型并加工得到超构透镜，非常方便，并且通过获得剖面结构构型，降低超构透镜的几何结构数据量，提升制作效率。
Description
技术领域
本申请涉及光学技术领域，特别是涉及一种超构透镜及其制作方法。
背景技术
超构透镜通过亚波长尺度的纳米结构阵列从物理光学角度控制光波的能量与相位分布，实现成像等光学功能，其具有体积薄、质量轻、集成度高、数值孔径大等显著优势，在成像、探测、光束整形等领域有很高的潜在应用价值。
纳米结构阵列是超构透镜的一种实现方式，纳米结构高宽比接近10、阵列数达106～107每平方毫米。基于纳米结构阵列的超构透镜在制作时包括结构设计和加工两个方面，结构设计指设计出纳米结构阵列的结构构型，加工指根据得到的结构构型进行加工制作，得到超构透镜。目前在结构设计时，依靠的是技术人员的经验，根据对物理现象的一些理解设计出一种结构构型后进行不断的仿真模拟，确定出结构构型。这种方法难以综合考虑功能性、集成性并得到满足需求的超构透镜，制作效率低。
因此，如何解决上述技术问题应是本领域技术人员重点关注的。
发明内容
本申请的目的是提供一种超构透镜及其制作方法，根据所需的超构透镜逆向设计结构构型并加工得到所需的超构透镜，非常方便。
为解决上述技术问题，本申请提供一种超构透镜的制作方法，包括：
确定超构透镜的焦点；
在截面组件的截面层中设定所述超构透镜面型的设计变量；所述截面组件包括基底、所述截面层以及完美匹配层，且所述截面组件内分布有激励波；
根据所述设计变量进行所述截面层内预选材料和真空相对介电常数的指数幂律混合材质插值，确定所述预选材料的分布位置，得到所述超构透镜的剖面结构构型，以使所述焦点处电场能量密度极大化；其中，所述预选材料为所述超构透镜的材料；
将所述剖面结构构型沿所述超构透镜的对称轴旋转，得到所述超构透镜的结构构型；
根据所述结构构型，加工得到所述超构透镜。
可选的，所述根据所述设计变量在所述截面层进行预选材料和真空相对介电常数的指数幂律混合材质插值，确定所述预选材料的分布位置，得到所述超构透镜的剖面结构构型包括：
步骤S1：通过偏微分方程滤波器和阈值投影法对所述设计变量进行光滑和锐化处理；
步骤S2：确定所述激励波的电磁场分布；
步骤S3：根据所述电磁场分布确定所述焦点处电场能量密度的伴随敏度；
步骤S4：根据所述伴随敏度演化所述设计变量，得到演化后的所述设计变量；
步骤S5：判断演化后的所述设计变量是否收敛；
步骤S6：若收敛，则根据演化后的所述设计变量得到所述剖面结构构型；
步骤S7：若不收敛，则返回步骤S1，直至所述设计变量收敛。
可选的，当所述预选材料为正性光刻胶时，所述根据所述结构构型，加工得到所述超构透镜包括：
在所述基底的上表面覆盖所述正性光刻胶；
对所述正性光刻胶进行坚膜处理；
根据所述结构构型对所述正性光刻胶进行光刻；
显影所述正性光刻胶，得到所述超构透镜。
可选的，在所述显影所述正性光刻胶之后，还包括：
利用乙醇清洗所述基底和所述正性光刻胶；
利用压缩气体吹干所述基底和所述正性光刻胶，得到所述超构透镜。
可选的，所述显影所述正性光刻胶包括：
采用甲基异丁基酮和异丙醇的显影液显影所述正性光刻胶。
可选的，所述根据所述电磁场分布确定所述焦点处电场能量密度的伴随敏度包括：
采用连续伴随分析方法，根据所述电磁场分布确定所述焦点处电场能量密度的所述伴随敏度。
可选的，当所述激励波以赫姆霍兹方程描述时，所述确定所述激励波的电磁场分布包括：
采用节点有限单元法，确定所述激励波的电磁场分布。
可选的，所述确定超构透镜的焦点包括：
设定所述超构透镜的数值孔径和直径；
根据所述数值孔径和所述直径确定所述焦点。
本申请还提供一种超构透镜，所述超构透镜包括基底和纳米结构阵列，所述超构透镜由上述任一种所述的超构透镜的制作方法制得。
可选的，所述纳米结构阵列的材料为正性光刻胶。
本申请所提供的一种超构透镜的制作方法，包括：确定超构透镜的焦点；在截面组件的截面层中设定所述超构透镜面型的设计变量；所述截面组件包括基底、所述截面层以及完美匹配层，且所述截面组件内分布有激励波；根据所述设计变量在所述截面层进行预选材料和真空相对介电常数的指数幂律混合材质插值，确定所述预选材料的分布位置，得到所述超构透镜的剖面结构构型，以使所述焦点处电场能量密度极大化；其中，所述预选材料为所述超构透镜的材料，将所述剖面结构构型沿所述超构透镜的对称轴旋转，得到所述超构透镜的结构构型；根据所述结构构型，加工得到所述超构透镜。
可见，本申请中的制作方法通过确定出所需超构透镜的焦点，然后在截面层中设定表示超构透镜面型的设计变量，以使焦点处电场能量密度极大化为目标，根据设计变量在截面层中对表示超构透镜的预选材料和真空相对介电常数的指数幂律混合材质插值，确定预选材料在截面层的分布位置，从而得到超构透镜的剖面结构构型，将剖面结构构型沿超构透镜的对称轴旋转即可得到超构透镜的结构构型，根据结构构型进行加工，得到超构透镜。根据所需的超构透镜逆向设计结构构型并加工得到所需的超构透镜，非常方便，并且，本申请通过获得剖面结构构型，降低了超构透镜的几何结构数据量，简化了超构透镜的几何拓扑结构，提升了制作效率、可制造性和工艺性。
此外，本申请还提供一种超构透镜。
附图说明
为了更清楚的说明本申请实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例所提供的一种超构透镜的制作方法的流程图；
图2为截面组件的结构示意图；
图3为本申请实施例所提供的根据所述结构构型加工得到超构透镜的流程图；
图4至图6为本申请实施例所提供的加工得到超构透镜的工艺流程图；
图7为本申请实施例所提供的一种超构透镜的剖面结构构型示意图；
图8为本申请实施例所提供的一种有机玻璃超构透镜示意图；
图9为本申请实施例所提供的另一种超构透镜的剖面结构构型示意图；
图10为本申请实施例所提供的另一种有机玻璃超构透镜示意图；
图11为本申请实施例所提供的另一种超构透镜的剖面结构构型示意图；
图12为本申请实施例所提供的另一种有机玻璃超构透镜示意图；
图13为本申请实施例所提供的另一种超构透镜的剖面结构构型示意图；
图14为本申请实施例所提供的另一种有机玻璃超构透镜示意图。
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，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，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，都属于本申请保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
正如背景技术部分所述，目前在结构设计时，依靠的是技术人员的经验，根据对物理现象的一些理解设计出一种结构构型后进行不断的仿真模拟，确定出结构构型。这种方法难以综合考虑功能性、集成性并得到满足需求的超构透镜。
有鉴于此，本申请提供了一种超构透镜的制作方法，请参考图1，图1为本申请实施例所提供的一种超构透镜的制作方法的流程图，该方法包括：
步骤S101：确定超构透镜的焦点。
具体的，所述确定超构透镜的焦点包括：
设定所述超构透镜的数值孔径和直径；
根据所述数值孔径和所述直径确定所述焦点。
具体的，设定超构透镜的数值孔径和直径D，由此可确定超构透镜的焦距f，得到焦点位置P。
步骤S102：在截面组件的截面层中设定所述超构透镜面型的设计变量；所述截面组件包括基底、所述截面层以及完美匹配层，且所述截面组件内分布有激励波。本步骤中在截面层中设定的设计变量全部为0，即就可以将截面层所在的区域视为一个个的坐标点，将每一个点处定义为0，0表示真空。
截面组件的结构示意图如图2所示，完美匹配层将基底和截面层包围，在截面组件中的环境为空气或者真空，截面层的宽度为超构透镜的半径D/2，可理解的是，截面组件中的截面层和基底为超构透镜回转对称面内的结构截面区域。
激励波可以为无极化波或辐射极化波。
步骤S103：根据所述设计变量进行所述截面层内预选材料和真空相对介电常数的指数幂律混合材质插值，确定所述预选材料的分布位置，得到所述超构透镜的剖面结构构型，以使所述焦点处电场能量密度极大化；其中，所述预选材料为所述超构透镜的材料。
定义设计变量均为表示真空的0，本步骤中确定预选材料的分布位置即在截面层中确定在哪些位置处应该设置预选材料，即将某些位置处的真空换成预选材料，预选材料用1表示，即0逐步向1变化。
可选的，所述根据所述设计变量在所述截面层进行预选材料和真空相对介电常数的指数幂律混合材质插值，确定所述预选材料的分布位置，得到所述超构透镜的剖面结构构型包括：
步骤S1：通过偏微分方程滤波器和阈值投影法对所述设计变量进行光滑和锐化处理。
具体的，偏微分方程滤波器对设计变量进行光滑处理，阈值投影法对设计变量进行锐化处理。
步骤S2：确定所述激励波的电磁场分布。
步骤S3：根据所述电磁场分布确定所述焦点处电场能量密度的伴随敏度。
优选地，采用连续伴随分析方法，根据所述电磁场分布确定所述焦点处电场能量密度的所述伴随敏度，连续伴随分析方法与本申请中拓扑优化超构透镜结构构型的过程兼容性好。
步骤S4：根据所述伴随敏度演化所述设计变量，得到演化后的所述设计变量。
优选地，当所述激励波以赫姆霍兹方程描述时，所述确定所述激励波的电磁场分布包括：
采用节点有限单元法，确定所述激励波的电磁场分布。
以赫姆霍兹方程描述激励波，可以大大降低超构透镜剖面结构构型的迭代设计过程计算量，且节点有限单元法与本申请中拓扑优化超构透镜结构构型的过程兼容性好。
步骤S5：判断演化后的所述设计变量是否收敛。
演化后的设计变量收敛，即截面层上各个位置处0和1的分布清晰，确定了各个位置处是否有预选材料，得到清晰的剖面结构构型。
步骤S6：若收敛，则根据演化后的所述设计变量得到所述剖面结构构型。
步骤S7：若不收敛，则返回步骤S1，直至所述设计变量收敛。
步骤S104：将所述剖面结构构型沿所述超构透镜的对称轴旋转，得到所述超构透镜的结构构型。
将剖面结构构型回转得到超构透镜，即得到具有不同矩形截面的一系列环型纳米结构构成的超构透镜。
步骤S105：根据所述结构构型，加工得到所述超构透镜。
本申请中的制作方法通过确定出所需超构透镜的焦点，然后在截面层中设定表示超构透镜面型的设计变量，以使焦点处电场能量密度极大化为目标，根据设计变量在截面层中对表示超构透镜的预选材料和真空相对介电常数的指数幂律混合材质插值，确定预选材料在截面层的分布位置，从而得到超构透镜的剖面结构构型，将剖面结构构型沿超构透镜的对称轴旋转即可得到超构透镜的结构构型，根据结构构型进行加工，得到超构透镜。根据所需的超构透镜逆向设计结构构型并加工得到所需的超构透镜，有效解决超构透镜研制和实用化方面存在的问题，非常方便，并且，本申请通过获得剖面结构构型，降低了超构透镜的几何结构数据量，简化了超构透镜的几何拓扑结构，提升了制作效率、可制造性和工艺性。与现有的纳米结构的高宽比相比，本申请中高宽比降低，进一步有效的提高了超构透镜的工艺性。
在上述实施例的基础上，在本申请的一个实施例中，请参考图3，当所述预选材料为正性光刻胶时，所述根据所述结构构型，加工得到所述超构透镜包括：
步骤S201：在所述基底的上表面覆盖所述正性光刻胶。
本申请对正性光刻胶的种类不做具体限定，一般选用PMMA(Polymeric MethylMethacrylate，聚甲基丙烯酸甲酯)，也称有机玻璃。基底一般选用玻璃。
本步骤请参考图4，在基底的上表面旋涂正性光刻胶，厚度为400nm～450nm。
步骤S202：对所述正性光刻胶进行坚膜处理。
具体的，将涂有正性光刻胶的基底置于热板上烘烤，热板的温度可以为180℃，烘烤5分钟。
步骤S203：根据所述结构构型对所述正性光刻胶进行光刻。
本步骤请参考图5，采用电子束光刻(EBEAM)工艺对正性光刻胶进行电子束直写曝光。
步骤S204：显影所述正性光刻胶，得到所述超构透镜。
本步骤显影后的结构示意图请参考图6。
可选的，所述显影所述正性光刻胶包括：
采用甲基异丁基酮和异丙醇的显影液显影所述正性光刻胶，其中，甲基异丁基酮和异丙醇的体积比为1:3。
本实施例中选用正性光刻胶为超构透镜的材料，仅需上述几个步骤即可完成加工过程，相较于现有技术中采用二氧化钛为超构透镜材料进行加工时的繁琐过程，加工过程非常简单，有效的提高了超构透镜的可制造性。
进一步地，在所述显影所述正性光刻胶之后，还包括：
利用乙醇清洗所述基底和所述正性光刻胶；
利用压缩气体吹干所述基底和所述正性光刻胶，得到所述超构透镜。
下面对本申请制作超构透镜的过程进行进一步详细阐述。
第一种，将图2所示的截面组件的区域宽度W设置为109.2微米，超构透镜直径D设置为108微米，激励波波长设置为633纳米，将数值孔径设置为0.8，通过上述实施例所述的超构透镜的制作方法的步骤，可得如图7所示的超构透镜的剖面结构构型，将剖面结构构型沿其对称轴回转可得如图8所示数值孔径为0.8的有机玻璃超构透镜。
第二种，将图2所示的截面组件的区域宽度W设置为109.2微米，超构透镜直径D设置为108微米，激励波波长设置为633纳米，将数值孔径设置为0.9，通过上述实施例所述的超构透镜的制作方法的步骤，可得如图9所示的超构透镜的剖面结构构型，将剖面结构构型沿其对称轴回转可得如图10所示数值孔径为0.9的有机玻璃超构透镜。
第三种，将图2所示的截面组件的区域宽度W设置为217.2微米，超构透镜直径D设置为216微米，激励波波长设置为633纳米，数值孔径设置为0.8，通过上述实施例所述的超构透镜的制作方法的步骤，可得如图11所示的超构透镜的剖面结构构型，将剖面结构构型沿其对称轴回转可得如图12所示数值孔径为0.8的有机玻璃超构透镜。
第四种，将图2所示的截面组件的区域宽度W设置为217.2微米，超构透镜直径D设置为216微米，激励波波长设置为633纳米，数值孔径设置为0.9，通过上述实施例所述的超构透镜的制作方法的步骤，可得如图13所示的超构透镜的剖面结构构型，将剖面结构构型沿其对称轴回转可得如图14所示数值孔径为0.9的有机玻璃超构透镜。
需要指出的是，本申请中制得的超构透镜与菲涅尔带板几何拓扑相似，但是，却与菲涅尔带板有本质区别，本申请中的超构透镜的数值孔径远大于菲涅尔带板的数值孔径，菲涅尔带板的环带采用非透明材料制作，其效率较低，菲涅尔带板存在多个焦点的问题，而本申请中的超构透镜只有一个焦点。
本申请还提供一种超构透镜，所述超构透镜包括基底和纳米结构阵列，所述超构透镜由上述实施例所述的超构透镜的制作方法制得。
优选地，所述纳米结构阵列的材料为正性光刻胶，相较于采用二氧化钛材料，可以简化超构透镜的制作工艺流程，提高制作效率。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
以上对本申请所提供的超构透镜及其制作方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种超构透镜的制作方法，其特征在于，包括：
确定超构透镜的焦点；
在截面组件的截面层中设定所述超构透镜面型的设计变量；所述截面组件包括基底、所述截面层以及完美匹配层，且所述截面组件内分布有激励波；
根据所述设计变量进行所述截面层内预选材料和真空相对介电常数的指数幂律混合材质插值，确定所述预选材料的分布位置，得到所述超构透镜的剖面结构构型，以使所述焦点处电场能量密度极大化；其中，所述预选材料为所述超构透镜的材料；
将所述剖面结构构型沿所述超构透镜的对称轴旋转，得到所述超构透镜的结构构型；
根据所述结构构型，加工得到所述超构透镜。
2.如权利要求1所述的超构透镜的制作方法，其特征在于，所述根据所述设计变量在所述截面层进行预选材料和真空相对介电常数的指数幂律混合材质插值，确定所述预选材料的分布位置，得到所述超构透镜的剖面结构构型包括：
步骤S1：通过偏微分方程滤波器和阈值投影法对所述设计变量进行光滑和锐化处理；
步骤S2：确定所述激励波的电磁场分布；
步骤S3：根据所述电磁场分布确定所述焦点处电场能量密度的伴随敏度；
步骤S4：根据所述伴随敏度演化所述设计变量，得到演化后的所述设计变量；
步骤S5：判断演化后的所述设计变量是否收敛；
步骤S6：若收敛，则根据演化后的所述设计变量得到所述剖面结构构型；
步骤S7：若不收敛，则返回步骤S1，直至所述设计变量收敛。
3.如权利要求1所述的超构透镜的制作方法，其特征在于，当所述预选材料为正性光刻胶时，所述根据所述结构构型，加工得到所述超构透镜包括：
在所述基底的上表面覆盖所述正性光刻胶；
对所述正性光刻胶进行坚膜处理；
根据所述结构构型对所述正性光刻胶进行光刻；
显影所述正性光刻胶，得到所述超构透镜。
4.如权利要求3所述的超构透镜的制作方法，其特征在于，在所述显影所述正性光刻胶之后，还包括：
利用乙醇清洗所述基底和所述正性光刻胶；
利用压缩气体吹干所述基底和所述正性光刻胶，得到所述超构透镜。
5.如权利要求3所述的超构透镜的制作方法，其特征在于，所述显影所述正性光刻胶包括：
采用甲基异丁基酮和异丙醇的显影液显影所述正性光刻胶。
6.如权利要求2所述的超构透镜的制作方法，其特征在于，所述根据所述电磁场分布确定所述焦点处电场能量密度的伴随敏度包括：
采用连续伴随分析方法，根据所述电磁场分布确定所述焦点处电场能量密度的所述伴随敏度。
7.如权利要求2所述的超构透镜的制作方法，其特征在于，当所述激励波以赫姆霍兹方程描述时，所述确定所述激励波的电磁场分布包括：
采用节点有限单元法，确定所述激励波的电磁场分布。
8.如权利要求1至7任一项所述的超构透镜的制作方法，其特征在于，所述确定超构透镜的焦点包括：
设定所述超构透镜的数值孔径和直径；
根据所述数值孔径和所述直径确定所述焦点。
9.一种超构透镜，其特征在于，所述超构透镜包括基底和纳米结构阵列，所述超构透镜由如权利要求1至8任一项所述的超构透镜的制作方法制得。
10.如权利要求9所述的超构透镜，其特征在于，所述纳米结构阵列的材料为正性光刻胶。
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