CN112965155A - 基于三维立体微结构的反射式超透镜及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明在三维立体人工微结构的基础上，利用相位设计调控的方法，提出一种基于三维立体微结构的宽带消色差单焦距超透镜，可实现宽带消色差和将同一偏振方向的反射光聚焦到同一空间位置。进一步，本发明还提出一种基于三维立体微结构的宽带消色差可变双焦距超透镜，对于不同偏振方向的入射光，可以利用同一个样品结构实现不同焦距的无色差聚焦功能，并且，只需要改变偏振光的入射方向，便可以实现不同焦点位置的转换。

Description

基于三维立体微结构的反射式超透镜及其制备方法

技术领域

本发明属于光电功能器件与材料制备技术领域，具体涉及通过三维立体微结构单元的设计和空间排布，在可见光-近红外波段范围同时实现宽带消色差功能和单/双焦距聚焦的光学功能。

背景技术

透镜是具有极其广泛应用的最基本光学元器件，各种功能型号的透镜被大量应用在科研和工业生产的诸多领域。随着现代光电技术的发展，微型化和集成化成为了光学元件设计的重要研究发展方向。传统的基于光学晶体的透镜设计方案由于其光调控的物理机理使得器件的体积较大，在应用上受到限制。如果要进一步减小光学元件尺寸，提高光学系统的集成度，则不能再依靠传统光学晶体调控的思路，需要一种新的设计方案。近年来利用人工微结构，特别是利用超表面方案开展的超透镜研究将透镜元件的体积缩小到了光波长尺度，并且已经成功实现了多种光学功能。

虽然超透镜方案显示出了巨大的优势和潜力，在超透镜设计方案中依然有两个问题需要解决。一是和传统透镜一样，基于超表面设计的超透镜往往具有色散，也就是对于不同波长的光，其调控性质不同，表现在不同波长的光经过透镜的偏折之后具有不同的偏折角度，进而导致不同波长的光焦点位置不同。第二是超透镜的功能集成度有限，往往一个透镜仅能实现单一的光学功能，如需要实现不同焦点的聚焦功能或者焦点可变的功能，就需要利用多个光学器件叠加，或者在光学系统中引入光学元件的机械运动，这样不仅增加了器件的体积,提高了器件设计和制备的复杂度与成本，同时也降低了光学器件的可靠性和稳定性。

对于以上两个问题，目前已经有一些解决方案的报道，例如，为了实现消色差的功能，将多个具有不同工作波段且具有相同焦距的子透镜组合到一起，形成一个多结构复合透镜，这种通过子透镜组合形成的复合透镜对于子透镜的多个工作波长具有消色差的功能；此外还有报道通过将超表面几何相位与法布里波罗振荡这两种调制方法相结合，彼此的色散相互抵消，也可以实现消色差的功能。但这些消色差设计大多存在效率低、波段不连续的缺点，譬如基于子透镜组合原理工作的消色差超透镜往往只能对几个离散的特定波长实现消色差功能，而基于几何相位方法原理工作的超透镜往往只能针对某一特定手性的圆偏振光实现消色差功能，对偏振模式要求较高，并且这些消色差设计几乎都不能实现多种光学功能譬如双焦距功能的集成。为了实现双焦距功能，现有方案可以将同一块透镜的不同空间位置设计为不同焦距，以实现将照射在透镜上的光线实现不同位置的聚焦，但这样的设计往往无法实现不同焦距的转换。当透镜制备完成后，聚焦到两个焦点的光强度比值便已确定，而无法实现选择转换功能。而到目前为止，能够同时实现可见至近红外波段消色差功能和可变双焦距功能的超透镜依然是空白。

发明内容

为进一步促进超透镜设计的实用性，本发明在三维立体人工微结构的基础上，利用相位设计调控的方法，提出一种基于三维立体微结构的宽带消色差单焦距超透镜，可实现宽带消色差和将同一偏振方向的反射光聚焦到同一空间位置。进一步，本发明还提出一种基于三维立体微结构的宽带消色差可变双焦距超透镜，对于不同偏振方向的入射光，可以利用同一个样品结构实现不同焦距的无色差聚焦功能，并且，只需要改变偏振光的入射方向，便可以实现不同焦点位置的转换。

本发明所公开的基于三维立体微结构的反射式超透镜是利用不同高度的立体砖进行空间分布所构造而成的光学器件，可以实现消色差的性能。本发明所公开的基于三维立体微结构的反射式超透镜组成超透镜的基本结构单元是立体砖结构，可根据偏振光的聚焦焦距确定立体砖阵列中各立体砖结构的高度，通过立体砖结构的设计，可以实现在可见至近红外波段内光反射率接近100％，并且反射光相位随频率线性变化。在同一立体砖阵列中，各立体砖结构除高度外其余参数完全不变，仅仅通过立体砖高度的改变，可以在保持反射光强度接近100％且反射光相位随频率线性变化的同时，灵活改变反射光相位随频率变化的斜率。

本发明根据透镜聚焦相位补偿公式，可以利用不同高度的立体砖结构实现可见至近红外波段的消色差聚焦，也就是说，在相当宽的波段范围内，利用立体砖结构单元构造的反射式透镜可以将同一偏振方向的反射光聚焦到同一空间位置。

进一步，本发明还考虑到方向相互垂直的立体砖结构，在两个垂直正交的偏振方向上光学功能相互独立不受影响，因此在同一空间位置同时制备垂直正交的立体砖阵列可以实现相互独立的聚焦功能。在相互垂直的偏振方向上，利用立体砖结构构造的反射式透镜对于反射光聚焦的调制作用是相互独立的，也就是说，对于偏振方向相互垂直的入射光，可以在两个方向上分别设计不同的立体砖高度分布，从而实现对偏振方向相互垂直的入射光进行相互独立的消色差双焦距聚焦。

由此，本发明利用立体砖结构不但可以构造宽带消色差单焦距超透镜，还可以构造宽带消色差双焦距超透镜，即在一个偏振方向上实现不同波长的同一空间位置聚焦或者在两个相互垂直偏振方向上实现相互独立的不同空间位置聚焦。而由于宽带消色差双焦距超透镜对两个相互垂直偏振方向上的入射线偏振光独立进行聚焦调控，因此还可以通过改变入射光偏振方向的方法实现入射光在两个不同聚焦位置之间的灵活转换。

本发明的具体技术方案如下：

方案一：本发明公开一种基于三维立体微结构的反射式超透镜，包括支撑装置以及形成于支撑装置表面的连续金属薄膜；所述支撑装置包括具有平整表面的基底以及布置在基底表面由多个周期排布的长条形立体砖结构组成的立体砖阵列，所述立体砖结构的高度自中间向两边逐渐增加或保持不变，整体呈对称分布；在可见至近红外波段范围内，不同工作频率的入射光垂直入射至所述反射式超透镜时，产生的反射光汇聚至同一空间位置；所述入射光的偏振方向与立体砖结构的长度方向一致，所述反射光的相位随入射光的频率线性变化，且线性变化的斜率的绝对值随入射光对应区域的立体砖结构的高度增加而减小。

方案二：本发明还公开一种方法，用于制备方案一所述的反射式超透镜，主要包括以下步骤：提供一种衬底作为支撑装置的基底；根据偏振方向沿立体砖结构长度方向偏振光的聚焦焦距确定所述立体砖阵列中各立体砖结构的高度；在所述基底上制备立体砖阵列，形成所述支撑装置；利用镀膜技术在所述支撑装置表面形成一层连续的金属薄膜，至此完成所述反射式超透镜的制备；其中，根据偏振方向沿立体砖结构长度方向偏振光的聚焦焦距确定所述立体砖阵列中各立体砖结构的高度，通过以下方式计算获得：根据所述聚焦焦距，利用相位补偿公式计算出不同空间位置处所需要满足的反射相位的要求；利用计算机模拟出不同高度的立体砖结构的反射相位；根据不同空间位置处所需要满足的反射相位的要求以及不同高度的立体砖结构的反射相位，确定不同空间位置处排列的立体砖结构的高度。

方案三：本发明公开一种基于三维立体微结构的反射式超透镜，包括支撑装置以及形成于支撑装置表面的连续金属薄膜；所述支撑装置包括具有平整表面的基底以及垂直正交布置在基底表面的第一和第二两套立体砖阵列；所述立体砖阵列由多个周期排布的长条形立体砖结构组成，所述立体砖结构的高度自中间向两边逐渐增加或保持不变，整体呈对称分布；所述第一立体砖阵列和第二立体砖阵列的高度分布不完全一致，第一立体砖阵列和第二立体砖阵列重合之处的高度取较高立体砖结构的高度；在可见至近红外波段范围内，不同工作频率的第一入射光和不同工作频率的第二入射光垂直入射至所述反射式超透镜时，第一入射光产生的第一反射光和第二入射光产生的第二反射光分别汇聚至两个不同的空间位置；所述第一入射光的偏振方向与第一立体砖阵列中立体砖结构的长度方向一致，所述第二入射光的偏振方向与第二立体砖阵列中立体砖结构的长度方向一致；所述第一反射光的相位随第一入射光的频率线性变化，且线性变化的斜率的绝对值随第一入射光对应区域的立体砖结构的高度增加而减小；所述第二反射光的相位随第二入射光的频率线性变化，且线性变化的斜率的绝对值随第二入射光对应区域的立体砖结构的高度增加而减小

方案四：本发明还公开一种方法，用于制备方案三所述的反射式超透镜，主要包括以下步骤：提供一种衬底作为支撑装置的基底；根据偏振方向沿第一立体砖阵列中立体砖结构长度方向偏振光和偏振方向沿第二立体砖阵列中立体砖结构长度方向偏振光的聚焦焦距分别确定所述立体砖阵列中各立体砖结构的高度；在所述基底上制备第一立体砖阵列和第二立体砖阵列，形成所述支撑装置；利用镀膜技术在所述支撑装置表面形成一层连续的金属薄膜，至此完成所述反射式超透镜的制备；其中，根据偏振方向沿立体砖结构长度方向偏振光的聚焦焦距确定所述立体砖阵列中各立体砖结构的高度，通过以下方式计算获得：根据所述聚焦焦距，利用相位补偿公式计算出不同空间位置处所需要满足的反射相位的要求；利用计算机模拟出不同高度的立体砖结构的反射相位；根据不同空间位置处所需要满足的反射相位的要求以及不同高度的立体砖结构的反射相位，确定不同空间位置处排列的立体砖结构的高度。

在上述方案中：第一反射光和第二反射光的反射率均不小于90％。

所述金属薄膜的材料优选为金或者银。

所述金属薄膜的厚度t优选为40±5纳米。

所述立体砖结构的厚度w小于1/2工作波长，优选0.35±0.05微米；所述周期p小于工作波长；优选0.7±0.05微米。

所述基底的材料为玻璃或石英，所述方砖结构的材料为感光树脂。

在方案一中，所述立体砖结构的高度h优选分布在0.1～1.8微米。

在方案三中，所述第一立体砖阵列中的立体砖结构和第二立体砖阵列中的立体砖结构的厚度和周期一致；所述第一立体砖阵列中的立体砖结构的高度h分布在0.1～1.8微米，第二立体砖阵列中的立体砖结构的高度h分布在0.1～1.5微米。

本发明具有以下有益效果：

(1)本发明可利用不同高度的立体砖结构空间分布实现宽带消色差单聚焦和宽带消色差双焦距聚焦功能，其中，对双焦距聚焦方案中的两个偏振方向的焦距，可以彼此独立调控，对两个相互垂直方向偏振的入射光彼此独立调节，且可以通过改变入射光偏振的方法实现聚焦焦距的转换，这也是首次将宽带消色差功能和双焦距聚焦功能利用同一样品同时实现，为高集成多功能的光学透镜设计提供了全新物理方案和实施办法。

(2)本发明在可见至近红外波段范围内，具有高效的消色差双焦距聚焦性能。相较于子透镜组合的消色差设计仅能实现若干个离散波长的消色差，本发明对于连续的宽波段都能够起到消色差的功能；相较于几何相位方案的消色差超透镜设计，本发明对于线偏振光可以实现消色差功能，并且对于任意偏振态的入射光都可以分解为两个垂直偏振分量，分别由两个相互垂直的立体砖阵列聚焦到不同位置；相较于同一块透镜不同空间位置设计为不同焦距的设计方案，本发明可以通过改变偏振方向，并能灵活实现双焦距的转换，还能通过调节偏振方向，灵活控制光线被聚焦在两个透镜的能量的比值。

(3)本发明所采用的立体砖结构设计简单，在同一个器件中可仅调整高度这一个参数变化，并且立体砖结构和多种微纳加工工艺兼容，在金属薄膜之下的结构可以利用任意材料，适用范围非常广。

说明书附图

图1中：图1(a)是宽带消色差单聚焦功能反射式超透镜的效果示意图；图1(b)是宽带消色差单聚焦功能反射式超透镜的基本结构单元的示意图；图1(c)是不同高度的立体砖结构单元的模拟反射光谱，为了表示更加清晰，从h＝0.1微米到h＝1.9微米，每条光谱相对于前一条光谱y轴方向都增加了1；图1(d)所示被立体砖结构反射的光的相位随光频率呈线性变化，并且随着立体砖结构高度的增加(0.1微米-1.9微米)斜率逐渐变化；图1(e)中的实线是理论上对760纳米、1050纳米和1550纳米的光在不同空间位置所需要的相位补偿；图1(e)中的方块、圆形和三角图案，表示的是利用优选的立体砖排列，可以实现的不同空间位置的相位补偿；可以看出利用不同高度的立体砖结构排列，可以完全满足理论上对补偿相位的要求；图1(f)是对760纳米、1050纳米和1550纳米三个波长的光反射强度在x-z平面分布的模拟。

图2中：图2(a)是扫描电子显微镜拍摄的样品俯视图；图2(b)是扫描电子显微镜拍摄的样品局部放大图；图2(c)显示利用CCD相机和铟镓砷红外相机拍摄的距离样品z＝64微米处，沿y方向偏振光的反射光强度分布图；图2(d)是x-z平面的光强度分布；图2(e)是y方向偏振光在不同波长的聚焦效率图；图2(f)是y方向偏振光在不同波长的焦距误差图。

图3中：图3(a)是宽带消色差双焦距超透镜制备步骤1；图3(b)是宽带消色差双焦距超透镜制备步骤2；图3(c)是宽带消色差双焦距超透镜制备步骤3；

图4中：图4(a)是扫描电子显微镜拍摄的样品俯视图；图4(b)是扫描电子显微镜拍摄的样品局部放大图；图4(c)是利用CCD相机和铟镓砷红外相机在距离样品表面64微米处获得的y方向偏振光反射光的电场强度分布图；图4(d)是x-z平面的光强度分布；图4(e)是利用CCD相机和铟镓砷红外相机在距离样品表面78微米处获得的x-y平面的电场强度分布图；图4(f)是y-z平面的光强度分布图；图4(g)是x方向偏振光和y方向偏振光在不同波长的聚焦效率图；图4(h)是x方向偏振光和y方向偏振光在不同波长的焦距误差图。

具体实施方式

本发明基于三维立体微结构的反射式超透镜，利用不同高度的立体砖结构进行空间分布所构造而成的光学器件，可以实现消色差的性能，也就是对光线的偏折角度和光的波长无关，对同一立体砖阵列的不同波长的入射光具有相同的焦距。基于三维立体微结构的反射式超透镜可在宽波带范围内(例如，波长范围在760～1150纳米)，可实现光的反射率接近100％，并且反射光相位随频率线性变化。在具体设计时，仅通过改变立体砖结构的高度，可以在保持反射光强度不小于90％且反射光相位随频率线性变化的同时，灵活改变反射光相位随频率变化的斜率。本发明利用立体砖结构不但可以构造宽带消色差单焦距超透镜，还可以构造宽带消色差双焦距超透镜，也就是说，在一个偏振方向上实现不同波长的同一空间位置聚焦或者在两个相互垂直偏振方向上实现相互独立的不同空间位置聚焦，并且，还可以通过改变入射光的偏振方向实现聚焦焦距的转换。本发明可先在一块衬底上制造出具有立体方砖结构的支撑装置，随后在支撑装置上方均匀的覆盖上一层完整连续的金属薄膜，以最终形成基于三维立体微结构的反射式超透镜。

下面将结合具体实施例和附图对本发明的技术方案作进一步解释说明。

结合图1(a)和图1(b)所示，本发明公开一种宽带消色差单焦距超透镜(简称“超透镜”)主要由支撑装置1以及形成于支撑装置1表面的连续金属薄膜2构成，由于连续金属薄膜2与支撑装置的上表面相帖合，其形貌与支撑装置1的表面结构形貌也基本一致。

本发明在设计支撑装置1时，首先设计一种用于形成特殊金属薄膜结构的基本结构单元，也就是长条形的立体砖结构11(也称“方砖结构”)，立体砖结构可通过飞秒脉冲双光子激光直写或者电子束曝光等工艺形成于基底12表面，周期排布形成立体砖阵列，基底12可以是平板状结构，但也不限于此，只要具有一个平整的表面即可。该立体砖结构沿长度方向的截面(x-z面截面)为矩形，立体砖结构的长度(y方向)为l，长度l的取值通常可根据透镜的实际尺寸需要任意设计，理论是可以无限延长，对最终形成的超透镜的光学性能几乎没有影响；立体砖结构的厚度(x方向)为w，厚度的选择需要小于工作波长的一半，例如，w可取值0.35±0.05微米；立体砖结构的高度(z方向)为h，各立体砖结构高度h不相等，且高度自中间向两边逐渐增加，立体砖阵列整体呈对称分布。考虑到散射的影响，立体砖阵列中两边立体砖结构11的最高高度h不高于2微米时效果较好，中间最低高度通常可以为0.1微米或更低，实施例中，立体砖阵列的高度分布范围可取0.1～1.8微米。各立体砖结构等间距平行布置，周期p的尺寸可根据超透镜工作的具体波长进行调整，通常小于工作波长为p，例如，p可取值为0.7±0.05微米。由此可见，同一超透镜中的各立体砖结构除高度参数根据其所在空间位置(x方向)依设计要求变化外，其他几何参数均相同。基底12的厚度通常不做要求，根据具体加工制备工艺选用衬底的厚度设计即可。基底12和立体砖结构11的材料可以由任意材料制作，二者也不要求一致，可以根据工艺条件灵活选择，只要满足在上层金属薄膜制备过程中可以起到支撑作用，能保持样品结构的完整性和金属薄膜的连续性即可，例如，可以使用标准玻璃基片作为基底，使用双光子固化感光树脂作为立体砖结构。连续金属薄膜2可通过磁控溅射、电子束蒸发等多种镀膜方法形成于支撑装置1表面，厚度t优选为40±5纳米。连续金属薄膜2的材料可使用损耗较少的金或者银。

如图1(a)所示，在可见至近红外波段内，多波长的入射光垂直入射到超透镜样品上，经过透镜的反射，可以将所有颜色(波长)的光，汇聚到同一个焦点。立体砖结构沿着x方向以设计的周期排列，而在y方向可以无限延伸，所有用于排列的立体砖结构高度根据需要灵活改变，除了高度外所有参数都保持一致。如果想要超透镜样品实现宽带消色差聚焦，那么在某一个空间位置就需要选择出符合相位要求的各立体砖结构的高度值，不同高度的立体砖结构可以提供的相位可参照图1(d)所示，可根据公式计算获得。

如图1(c)所示，为了显示更清晰，图1(c)中的振幅依次增加了1，这里的意思是振幅的曲线其实都差不多是接近1，但是为了把这么多条线可以区分开看的清楚，依次给他们增加了1，于是振幅就变成了h＝0.1，振幅等于1，h＝0.2，振幅等于2以此类推，h＝1.9，振幅等于7，由此可见，不同高度的立体砖结构(实际上指的就是立体砖结构对应的金属薄膜区域)对入射光的反射率在相当宽波段内(760纳米-1550纳米)接近100％，且能实现光振幅相等且振幅强度较强，这也是利用结构单元实现超表面和超透镜器件的必要条件之一。如图1(d)所示被立体砖结构反射的光的相位随光频率呈线性变化，并且随着立体砖结构高度的增加(0.1微米-1.9微米)斜率逐渐变化。

图1(c)和图1(d)是由时域有限差分方法模拟得到结果。从物理公式上对透镜聚焦进行描述，所需要的相位补偿由相位补偿公式确定透镜不同空间位置对不同波长的相位补偿

和透镜焦距F的关系。相位补偿公式如下：

公式中：f是光频率，c是光速，x是空间位置，

是相位。

该公式是针对所有聚焦透镜通用的公式。要实现所谓的消色差聚焦性质，也就是焦距F和入射光的频率f无关，也即和入射光的波长λ无关，从补偿公式看出相位补偿

需要同时满足两个条件:1)在某一确定的空间位置x处，相位补偿

和频率f是线性的关系；2)对于不同的空间位置x，

的比率随参量

的改变而改变。只要以上两点要求满足，焦距F就是一个与频率f(波长λ)无关的常量。

图1(d)是利用时域有限差分方法模拟计算出不同高度的立体砖结构的反射相位，图1(d)可以发现，当立体砖结构的高度从0.1微米变换到1.9微米时，在所有高度下，相位随频率的变化是线性的，这满足了上面提到的要求1)，此外，随着立体砖结构高度的变化，相位随频率变化的斜率也在渐变，当在不同空间位置放置不同高度的立体砖结构时，又可以满足前面所述的要求2)，也就是立体砖结构反射光的相位正好可以满足实现消色差聚焦的两点要求。因此可利用不同高度的立体砖结构进行空间排布，从而构造出具有消色差功能的反射式透镜，可以将不同波长的反射光聚焦到同一空间位置。

具体的，每一个位置x对应的立体砖高度的求解步骤主要包括：第一步：根据消色差超透镜的焦距F，然后利用相位补偿公式计算出不同空间位置x处所需要满足的反射相位的要求。第二步：根据相位要求，对照图1(d)，挑选满足该要求的立体砖的高度，并放置在对应x处。例如，在实际计算中，我们模拟计算了高度从0.1微米到1.9微米，高度间距为0.05微米的立体砖反射相位，图1(d)中我们仅示意出了其中的7条。第三步：制备不同高度的立体砖，从而完成消色差超透镜的制备。根据相位补偿公式，可以具体计算出每一个空间位置x处所需要满足的相位，然后根据图1(d)中的相位和立体砖高度的对应关系，在该空间位置x处制备对应高度的立体砖结构。

根据透镜相位补偿公式，实施例1公开首先设计了一种焦距为64微米的宽带消色差单焦距超透镜，用以验证立体砖结构的有效性。实施例1中，支撑装置1中基底12的材料选用玻璃，立体砖结构11的材料为光敏树脂，其中，立体砖结构11厚度w为0.35微米，长度l为42微米，高度h分布在0.1～1.8微米，相邻立体砖结构之间的间距p为0.7微米。连续金属薄膜2的材料为金，厚度为40纳米。

为了验证不同波长对透镜聚焦公式的满足情况，图1(e)中的实现是理论上对760纳米、1050纳米和1550纳米的光在不同空间位置所需要的相位补偿，而方块、圆形和三角空心符号，是利用实施例1所述的立体砖结构能够提供的相位补偿，可以看到利用立体砖结构可以非常完美的提供消色差的理论要求性质。图1(f)是对760纳米、1050纳米和1550纳米三个波长的光反射强度分布的模拟，模拟结果可以看到，利用立体砖结构设计，可以将不同波长的光都聚焦在焦距为64微米处，而将不同波长的光实现统一焦距的聚焦，正是消色差功能的体现。

图2是利用飞秒脉冲双光子激光直写系统制备的宽带消差单焦距超透镜样品和光学测量结果。在光学表征上，我们利用了760纳米、850纳米、940纳米、1050纳米、1200纳米、1450纳米和1550纳米波长的发光二极管(LED)作为入射光源，利用偏振片调制入射光的线偏振方向。对于760纳米和850纳米波长利用显微镜加装电荷耦合器(CCD)相机进行成像，对940纳米、1050纳米、1200纳米、1450纳米和1550纳米波长利用显微镜加装铟镓砷相机进行成像。如图2(c)所示，距离样品z＝64微米处，通过沿y方向偏振光的反射光强度分布可以看出，对于760纳米、850纳米、940纳米、1050纳米、1200纳米、1450纳米和1550纳米波长的入射光，在z＝64微米处，光强度呈现为一条竖直细亮线，这表明不同波长的光反射后都被聚焦在了同一位置，既对于不同波长的y方向偏振光我们设计并制备的超透镜样品显示了有效的消色差聚焦性质。进一步我们通过移动样品和显微镜镜头之间的距离进行了不同像平面的成像，进而在实验上获得了x-z平面的光强度分布，如图2(d)所示，同样可以看到，对于760纳米、850纳米、940纳米、1050纳米、1200纳米、1450纳米和1550纳米波长的入射光，反射光都被聚焦到了z＝64微米处。通过对图片的测量，实测半峰宽约为3.5微米，图2(e)是实验测量的在不同波长的聚焦效率，可以看到在760纳米到1550纳米范围内，聚焦效率约为40％。图2(f)显示的是y方向偏振光在不同波长的焦距误差图，可以看到在误差允许范围内，反射光都被聚焦到了相同的空间高度。由此可见，实施例1所述的64微米的宽带消色差单焦距超透镜样品具有有效的消色差单焦距聚焦功能。

实施例1所述一种焦距为64微米的宽带消色差单焦距超透镜的制备方法如下：在一个平整的玻璃衬底(基底)上，首先根据y方向偏振光的聚焦焦距(64微米)通过相位补偿公式确定立体砖高度h的空间分布；利用飞秒脉冲双光子激光直写技术在基底表面制备出沿着y方向延伸、阵列排布的立体砖结构，至此形成支撑装置。然后利用磁控溅射镀膜技术在支撑装置上表面均匀的镀上一层40纳米厚的连续的金薄膜，最终样品结构如图2(a)所示。

实施例2公开了一种在两个偏振方向分别为64微米和78微米的宽带消色差双焦距超透镜。由于立体砖结构设计，仅对与偏振方向沿着立体砖延伸方向的光进行调制，因此在同一位置利用两套相互垂直的立体砖阵列实现对两个垂直偏振方向的光进行独立调制。也就是对偏振方向相互垂直的光，立体砖超透镜可以将其汇聚到两个不同的位置，即实现双焦距聚焦。

同样的，第一步：根据消色差双焦距超透镜的两个焦距F1＝64微米和F2＝78微米，利用相位补偿公式分别计算出沿着x方向排布的立体砖第一阵列在每一个空间位置x处所需要的补偿相位，以及沿着y方向排列的立体砖第二阵列在每一个空间位置y处所需要的补偿相位。其中第一阵列针对y方向偏振的入射光聚焦，第二阵列针对x方向偏振的入射光聚焦。第二步：根据计算出的两个立体砖阵列对相位要求，通过相位补偿公式和对照图1(d)，挑选适合的立体砖的高度，并在对应位置处放置，在第一阵列中立体砖沿着x方向排列，在第二阵列中立体砖阵列沿着y方向排列。第三步：可利用飞秒脉冲双光子激光直写加工制备方法在同一位置制备出第一阵列和第二阵列，完成消色差双聚焦超透镜的制备。

结合图3所示，宽带消色差双焦距超透镜的具体制备方法主要包括：

在一个平整的玻璃衬底(即基底)上，首先根据y方向偏振光的聚焦焦距(64微米)确定的立体砖高度h的空间分布，制备出沿着x方向排布的立体砖结构阵列，如图3(a)显示。这一步和制备宽带消色差单焦距超透镜完全相同。随后在同一块平整衬底的同一位置，根据x方向偏振光的聚焦焦距(78微米)所确定的立体砖高度分布，制备第二套立体砖结构阵列，如图3(b)所示。完成此步骤时，支撑装置包括基底及形成于基底表面的有两套相互垂直的立体砖结构阵列。两套阵列结构在制备过程中彼此不相互影响，分别独立按照自身的设计制备。制备时，在立体砖结构有重叠的地方，取较高的高度即可。最后在两套垂直的立体砖结构的上表面，均匀的镀上一层连续的40纳米厚的金属金薄膜，最终样品结构如图3(c)所示。

结合图4(a)和图4(b)可以看出，实施例2利用飞秒脉冲双光子激光直写技术，制备了两套相互垂直且在空间中位于同一位置的立体砖阵列结构，并且立体砖结构的高度逐渐变化。其中，支撑装置中基底的材料选用玻璃，立体砖结构的材料均为感光树脂，连续金属薄膜的材料为金，厚度为40纳米。第一套立体砖阵列结构中，立体砖结构厚度w为0.35微米，长度l为42微米，高度h分布在0.1～1.8微米，不同空间位置x处立体砖结构的高度逐渐变化以提供相位补偿公式计算得出的补偿相位，相邻立体砖结构之间的间距p为0.7微米。第二套立体砖阵列结构和第一套立体砖结构制备在同一空间位置，两套立体砖结构相互垂直。两套结构除了不同空间位置处的立体砖结构高度分布不同外，结构参数和制备方法基本相同。两套立体砖阵列的高度计算方法和单聚焦阵列的计算方法一致，根据不同的焦距代入相位补偿公式计算出某一空间位置所需要的相位，再对照图1(d)确定各空间位置所需要制备的立体砖高度.

图4(c)是利用CCD相机和铟镓砷红外相机在距离样品表面64微米处获得的y方向偏振光反射光的电场强度分布图。可以看出，对于760纳米、850纳米、940纳米、1050纳米、1200纳米、1450纳米和1550纳米波长且沿着y方向偏振的入射光，在z＝64微米处，光强分布呈现为一条y方向的细亮线，这表明不同波长的光反射后都被聚焦在了同一位置，既对于不同波长的y方向偏振的入射光我们设计并制备的超透镜样品显示了有效的消色差光学性质。进一步我们实验上获得了x-z平面的光强度分布，如图4(d)所示。同样可以看到，对于760纳米、850纳米、940纳米，1050纳米、1200纳米、1450纳米和1550纳米波长的入射光，y方向偏振的反射光都被聚焦到了z＝64微米处。通过对图片的测量，实测半峰宽约为3.8微米，聚焦效率约为37％。

图4(e)所示的利用CCD相机和铟镓砷红外相机在距离样品表面78微米处获得的电场强度分布图，可以看出，对于760纳米、850纳米、940纳米、1050纳米、1200纳米、1450纳米和1550纳米波长且沿着x方向偏振的入射光，在z＝78微米处，光强度分布呈现为一条x方向的细亮线，这表明不同波长的x方向偏振光反射后都被聚焦在了同一位置，即对于不同波长的x方向偏振的入射光我们设计并制备的超透镜样品显示了有效的消色差光学性质。进一步我们实验上获得了y-z平面的光强度分布，如图4(f)所示，同样可以看到，对于760纳米、850纳米、940纳米、1050纳米、1200纳米、1450纳米和1550纳米波长的x方向偏振的入射光，反射光都被聚焦到了z＝78微米处。实测获得的半峰宽约为3.5微米。图4(g)是x方向偏振光和y方向偏振光在不同波长的聚焦效率图，对于x方向偏振和y方向偏振的入射光，它们的平均聚焦效率约为37％。图4(h)是x方向偏振光和y方向偏振光在不同波长的焦距误差图，在误差允许范围内，x方向偏振光和y方向偏振光分别被聚焦到了z＝78微米和z＝64微米处。图4的实验结果证明，实施例2所述的超透镜样品，对于x偏振方向和y偏振方向的入射光都具有消色差的聚焦功能，并且在这两个偏振方向上，焦距可以设计为不同数值，通过入射光偏振方向的变化，焦距可以在两个焦距之间变化，由此证实了实施例2所述的超透镜样品具有有效的消色差双焦距聚焦功能。

实施例2所述的超透镜样品同时具有消色差功能和双焦距功能，该超透镜样品是对x偏振光实现一个焦距，y偏振光实现另外一个焦距，通过改变入射光的偏振方向，还可以实现入射光在两个焦距之间相互转换的功能。需要说明的是，为实现双焦距功能，实施例2所述的超透镜样品中两套立体砖阵列的高度分布通常要求不一致，但对两套立体砖阵列中立体砖结构的厚度和周期并不要求完全一致，只是为了简化操作，通常可以设置成一致。

综上可见，本发明根据透镜聚焦相位补偿公式，可以利用不同高度的立体砖结构实现可见至近红外波段的消色差聚焦，也就是在相当宽的波段范围内，利用立体砖结构单元构造的反射式透镜可以将同一偏振方向的反射光聚焦到同一空间位置。进一步，还可通过在同一空间位置制备方向相互垂直的立体砖阵列，实现双焦距聚焦。在相互垂直的偏振方向上，利用立体砖结构构造的反射式透镜对于反射光聚焦的调制作用是相互独立的，可以在相互垂直的两个方向上分别设计不同高度分布的立体砖阵列，二者具有相互独立的聚焦功能，即在两个垂直正交的偏振方向上光学功能相互独立不受影响，实现对偏振方向相互垂直的入射光进行相互独立的消色差双焦距聚焦。

本发明利用双光子飞秒脉冲激光直写和磁控溅射镀膜等微加工方案制备了宽带消色差单焦距超透镜样品用以检验宽带消色差功能，随后又在同一空间位置制备了两组相互垂直的且具有不同高度分布的立体砖阵列，构造了宽带消色差双焦距超透镜样品。本发明利用可见光/近红外成像技术验证了宽带消色差功能和双焦距功能的有效性。

最后需要说明的是，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。通过改变结构周期以及结构尺寸，我们可以在不同波段实现类似的宽带消色差双焦距聚焦功能。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (13)

1.一种基于三维立体微结构的反射式超透镜，其特征在于，包括支撑装置以及形成于支撑装置表面的连续金属薄膜；所述支撑装置包括具有平整表面的基底以及布置在基底表面由多个周期排布的长条形立体砖结构组成的立体砖阵列，所述立体砖结构的高度自中间向两边逐渐增加或保持不变，整体呈对称分布；

在可见至近红外波段范围内，不同工作频率的入射光垂直入射至所述反射式超透镜时，产生的反射光汇聚至同一空间位置；所述入射光的偏振方向与立体砖结构的长度方向一致；所述反射光的相位随入射光的频率线性变化，且线性变化的斜率的绝对值随入射光对应区域的立体砖结构的高度增加而减小。

2.如权利要求1所述的反射式超透镜，其特征在于，所述金属薄膜的材料为金或者银；所述金属薄膜的厚度t为40±5纳米。

3.如权利要求1所述的反射式超透镜，其特征在于，所述立体砖结构的厚度w小于1/2工作波长，优选0.35±0.05微米；所述周期p小于工作波长，优选0.7±0.05微米；所述立体砖结构的高度h分布在0.1～1.8微米。

4.一种方法，用于制备权利要求1至3任意一项所述的反射式超透镜，其特征在于，包括以下步骤：

提供一种衬底作为支撑装置的基底；根据偏振方向沿立体砖结构长度方向偏振光的聚焦焦距确定所述立体砖阵列中各立体砖结构的高度；在所述基底上制备立体砖阵列，形成所述支撑装置；

利用镀膜技术在所述支撑装置表面形成一层连续的金属薄膜，至此完成所述反射式超透镜的制备；

其中，根据偏振方向沿立体砖结构长度方向偏振光的聚焦焦距确定所述立体砖阵列中各立体砖结构的高度，通过以下方式计算获得：

根据所述聚焦焦距，利用相位补偿公式计算出不同空间位置处所需要满足的反射相位的要求；

利用计算机模拟出不同高度的立体砖结构的反射相位；

根据不同空间位置处所需要满足的反射相位的要求以及不同高度的立体砖结构的反射相位，确定不同空间位置处排列的立体砖结构的高度。

5.一种基于三维立体微结构的反射式超透镜，其特征在于，包括支撑装置以及形成于支撑装置表面的连续金属薄膜；所述支撑装置包括具有平整表面的基底以及垂直正交布置在基底表面的第一和第二两套立体砖阵列；所述立体砖阵列由多个周期排布的长条形立体砖结构组成，所述立体砖结构的高度自中间向两边逐渐增加或保持不变，整体呈对称分布；所述第一立体砖阵列和第二立体砖阵列的高度分布不完全一致，第一立体砖阵列和第二立体砖阵列重合之处的高度取较高立体砖结构的高度；在可见至近红外波段范围内，不同工作频率的第一入射光和不同工作频率的第二入射光垂直入射至所述反射式超透镜时，第一入射光产生的第一反射光和第二入射光产生的第二反射光分别汇聚至两个不同的空间位置；所述第一入射光的偏振方向与第一立体砖阵列中立体砖结构的长度方向一致，所述第二入射光的偏振方向与第二立体砖阵列中立体砖结构的长度方向一致；所述第一反射光的相位随第一入射光的频率线性变化，且线性变化的斜率的绝对值随第一入射光对应区域的立体砖结构的高度增加而减小；所述第二反射光的相位随第二入射光的频率线性变化，且线性变化的斜率的绝对值随第二入射光对应区域的立体砖结构的高度增加而减小。

6.如权利要求5所述的反射式超透镜，其特征在于，所述第一反射光和第二反射光的反射率均不小于90％。

7.如权利要求5所述的反射式超透镜，其特征在于，所述金属薄膜的材料为金或者银。

8.如权利要求5所述的反射式超透镜，其特征在于，所述金属薄膜的厚度t为40±5纳米。

9.如权利要求5所述的反射式超透镜，其特征在于，所述立体砖结构的厚度w小于1/2工作波长，所述周期p小于工作波长。

10.如权利要求9所述的反射式超透镜，其特征在于，所述立体砖结构的厚度w优选0.35±0.05微米；所述周期p优选0.7±0.05微米；所述第一立体砖阵列中的立体砖结构的高度h分布在0.1～1.8微米，第二立体砖阵列中的立体砖结构的高度h分布在0.1～1.5微米。

11.如权利要求5所述的反射式超透镜，其特征在于，所述第一立体砖阵列中的立体砖结构和第二立体砖阵列中的立体砖结构的厚度和周期一致。

12.如权利要求5所述的反射式超透镜，其特征在于，所述基底的材料为玻璃或石英，所述方砖结构的材料为感光树脂。

13.一种方法，用于制备权利要求5-12任意一项所述的反射式超透镜，其特征在于，包括以下步骤：

提供一种衬底作为支撑装置的基底；根据偏振方向沿第一立体砖阵列中立体砖结构长度方向偏振光和偏振方向沿第二立体砖阵列中立体砖结构长度方向偏振光的聚焦焦距分别确定所述立体砖阵列中各立体砖结构的高度；在所述基底上制备第一立体砖阵列和第二立体砖阵列，形成所述支撑装置；

利用镀膜技术在所述支撑装置表面形成一层连续的金属薄膜，至此完成所述反射式超透镜的制备；

其中，根据偏振方向沿立体砖结构长度方向偏振光的聚焦焦距确定所述立体砖阵列中各立体砖结构的高度，通过以下方式计算获得：

根据所述聚焦焦距，利用相位补偿公式计算出不同空间位置处所需要满足的反射相位的要求；

利用计算机模拟出不同高度的立体砖结构的反射相位；

根据不同空间位置处所需要满足的反射相位的要求以及不同高度的立体砖结构的反射相位，确定不同空间位置处排列的立体砖结构的高度。

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