CN112987290A - 一种可见光消色差超构透镜及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可见光消色差超构透镜及其制备方法，该可见光消色差超构透镜包括亚波长的基本单元，所述可见光消色差超构透镜基本单元的相位分布ϕ(r,ω)满足公式（1），排布在r处的基本单元同时满足如公式（3）的中心频率ω _o对应的相位分布ϕ _o(r,ω _o)和如公式（4）相应的群延迟大小。采用本发明的技术方案，在420‑700纳米波长范围内，实现宽带消色差，并且聚焦效率得到显著提升，仿真结果表明其平均效率高达88.3%以上；且消色差超构透镜的数值孔径得到了提升；纵深比也得到提升。

Description

一种可见光消色差超构透镜及其制备方法

技术领域

本发明属于成像和集成光学技术领域，尤其涉及一种可见光消色差超构透镜及其制备方法。

背景技术

近年来，随着微纳加工技术的不断发展，以及人们对小型化、轻量化器件的需求日益提高，超构表面随之应运而生。超构表面是一种由亚波长尺寸的基本单元构成的二维阵列结构。通过选用合适的材料，光学超构表面通过改变基本单元的几何参数以及调节基本单元的排布方式就可以在亚波长尺度内对入射光的相位、偏振以及振幅实现预期的调制。超构表面的上述特性导致其具备超轻、超薄的特点，十分契合器件设备小型化、集成化的发展趋势。超构表面的诸多优异特性使之多年来成为研究热点，并出现了大量的相关应用，例如：分光器、光学全息、显微镜、超构透镜。层出不断的超构表面新应用以及优异的性能正在冲击着传统器件。

透镜作为核心的光学元件，天文、安防、交通、医学等各个领域对其有极高的需求。但是由于其加工工艺要求高且体积大，造成其价格昂贵且难以集成化，导致其应用范围受限。超构透镜的出现，在一定程度上很好的解决了上述问题，并且能够实现衍射极限聚焦，提高了成像时的分辨率。随着超构透镜的不断发展，工作于单波长的超构透镜的数值孔径可高达0.99，同时还出现了多焦点超构透镜，焦距可调超构透镜等等其它一系列性能优异、功能多样的超构透镜。

由于材料存在固有色散的问题，导致透镜也存在色散。传统透镜色散的消除是通过多个透镜组合的方式来实现的，这进一步增加了光学系统的体积以及成本。众多科研工作者凭借超构表面突出的相位调制能力，基于单块超构表面的消色差超构透镜已经被提出并不断得到优化，在可见光光谱范围实现无色散聚焦。

随着可见光消色差超构透镜的不断发展，已经由原先的多波长消色差提升为可见光波段的连续谱消色差。但是目前的消色差超构透镜还存在诸多不足。例如，基于P-B相位调制的消色差超构透镜，虽然相位的选择是任意的，但是其不仅受限于入射光的偏振态而且由于涉及偏振态转换效率的问题，为了能够尽量提高数值孔径，不得不选用一些低转换效率的基本单元，导致其聚焦效率比较低。通过选用对称性结构的基本单元，解决了消色差超构透镜对入射光偏振态依赖的问题，同时还受限于加工工艺，即不能选用厚的基本单元，也就无法提供大范围的相位延迟；除此之外，还由于优化方法的不足，从而导致这些消色差超构透镜具有聚焦效率低、数值孔径小的缺点。

发明内容

针对以上技术问题，本发明公开了一种可见光消色差超构透镜及其制备方法，得到的超构透镜数值孔径、纵深比均得到提升，且聚焦效率得到了显著提升。

对此，本发明采用的技术方案为：

一种可见光消色差超构透镜，其包括亚波长的基本单元，所述可见光消色差超构透镜的相位分布φ(r,ω)满足公式(1)：

式(1)中，ω为角频率，c为光速，r为坐标，f为超构透镜的焦距；

排布在r处的基本单元同时满足中心频率ω_o对应的相位分布φ_o(r,ω_o)和相应的群延迟大小

其中，

采用此技术方案，消色差超构透镜满足公式(1)随频率线性变化的相位分布，且排布在r处的基本单元不仅要满足中心频率ω_o对应的相位分布φ_o(r,ω_o)，还要同时满足相应的群延迟大小

这样才能使不同的频率的入射光聚焦于相同位置，从而消除色散。进一步的，基本单元群延迟大小的调控可以通过改变基本单元的尺寸以及结构来实现。

作为本发明的进一步改进，所述基本单元为对称性结构。

作为本发明的进一步改进，所述基本单元为单个圆柱、单个方形柱、圆环柱、方形环柱、十字形柱或渔网结构柱体。其中，渔网结构柱体的截面形状为渔网形状。

作为本发明的进一步改进，所述基本单元的高度不小于1200纳米均可行，区别仅在于超构透镜的数值孔径。作为演示实例，基本单元的高度定为1200纳米。

作为本发明的进一步改进，所述基本单元的线性拟合系数R²>0.995。

作为本发明的进一步改进，所述基本单元采用满足高折射率、低损耗的电介质材料。优选的，所述基本单元的材质为二氧化钛。

作为本发明的进一步改进，所述基本单元为位于基底上的二氧化钛纳米柱。

作为本发明的进一步改进，所述基底的材质为二氧化硅。

本发明还公开了一种如上所述的可见光消色差超构透镜的制备方法，其包括：

在镀有ITO的二氧化硅基底上蒸镀二氧化钛膜，在二氧化钛膜上涂覆光刻胶，采用电子束光刻机按照基本单元的形状图案对光刻胶进行曝光，然后进行显影，接着镀铬作为掩模板，随后通过剥离液进行剥离，再用反应离子束进行刻蚀，最后用去铬液去除残余的铬得到可见光消色差超构透镜。

作为本发明的进一步改进，利用电子束进行蒸镀，蒸镀的真空度不小于E-7Torr数量级。

作为本发明的进一步改进，蒸镀的镀率为

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

采用本发明的技术方案，在420-700纳米波长范围内，实现宽带消色差，不受限于入射光的偏振态，并且聚焦效率得到显著提升，仿真结果表明其平均效率高达88.3％以上；且消色差超构透镜的数值孔径得到了提升，在直径为25微米的情况下，数值孔径达到0.2；纵深比也得到提升，刻蚀1200纳米厚的二氧化钛薄膜依旧保持接近90°的垂直度。另外，通过采用高透射率且线性度好(R²>0.995)的基本单元作为构成消色差超构透镜的基本结构，保证了超构透镜消色差且高效率；同时，消色差超构透镜采用这种“设计-色散”的方法可应用于其他需要利用色散的领域，例如通过改变不同色散大小的基本单元的空间分布，进一步增加器件的色散程度，可以将它应用于光谱仪。

附图说明

图1是本发明一种可见光消色差超构透镜的不同基本单元形状的结构示意图，其中，(a)为单个圆柱，(b)为单个方形柱，(c)为圆环柱，(d)为方形环柱，(e)为十字形柱，(f)为渔网结构柱体。

图2是本发明实施例的偏振无关消色差超构透镜关于相位以及群延迟大小分布的在透镜不同径向位置的理论值和实际值的比较图，其中，(a)为相位，(b)为群延迟分布。

图3是本发明实施例的可见光消色差超构透镜的聚焦效率以及焦距位移散点图。

附图中，1-基底，2-基本单元。

具体实施方式

下面对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明。

一种可见光消色差超构透镜，如图1所示，其包括基底1和位于基底1上的基本单元2。该可见光消色差超构透镜的相位分布φ(r,ω)满足公式(1)：

上式中ω为角频率，c为光速，f为超构透镜的焦距。由公式(1)可以看出，消色差超构透镜的相位分布是关于ω的线性函数，可以将其改写成公式(2)：

上式中φ_o(r,ω_o)是中心角频率ω_o的相位分布，其表达式为：

为相对群延迟由公式(4)给定：

φ_o(r,ω_o)和

这两个物理量都是坐标r的函数。传统非消色差超构透镜中排布在坐标r处的基本单元仅需满足工作频率ω_o的相位分布φ_o(r,ω_o)即可，而在消色差超构透镜中，排布在r处的基本单元不仅要满足中心频率ω_o对应的相位分布φ_o(r,ω_o)，还要同时满足相应的群延迟大小

这样才能使不同的频率的入射光聚焦于相同位置，从而实现消色差聚焦。而基本单元群延迟大小的调控可以通过改变基本单元的尺寸以及结构来实现。

凡是满足高折射率、低损耗的电介质材料均可作为消色差超构透镜的材料；例如，我们可以选用二氧化钛纳米柱并结合基底二氧化硅作为构成超构透镜的基本单元。

为了使基本单元能够满足公式(1)随频率线性变化的相位分布，优选如图1所示的六种对称性结构作为超构透镜的基本单元，这种对称性保证了不同入射光的偏振态不影响超构透镜的工作，六种结构分别为：单个圆柱、单个方形柱、圆环柱、方形环柱、十字形柱以及渔网结构柱体。需要说明的是，任何对称性结构都可以被采用作为消色差超构透镜的基本单元，对称性结构的种类数量要以能够尽可能的填充好相位(中心频率相位φ_o(ω_o))-色散(群延迟

)空间从而满足理论的相位分布和群延迟分布为准。基本单元的高度为不小于1200纳米，更高的厚度将提供更大范围的群延迟，数值孔径将得到提升。

本实施例优选基本单元的高度为1200纳米进行说明。样品制备首先是利用电子束蒸镀技术在镀有ITO的二氧化硅基底上蒸镀1200纳米厚的二氧化钛，真空度要求在E-7Torr这个数量级，镀率保持在

左右。随后在二氧化钛膜上旋涂光刻胶，接着用电子束光刻机根据设计好的图案对光刻胶进行曝光，曝光之后利用显影液进行显影，紧接着再用电子束蒸镀仪在样品上镀铬作为掩模板，随后通过剥离液进行剥离，再用反应离子束进行刻蚀，最后用去铬液去除残余的铬就得到了超构透镜的样品。

采用仿真软件对六种不同形状的基本单元的几何参数进行逐一扫描，目的在于让更多的基本单元尽可能的填充相位-色散空间。为了得到特定结构、特定尺寸下基本单元的群延迟大小，先要对基本单元在420纳米到700纳米波长范围内进行参数扫描，研究其相位变化，然后将得到的不同波长下的相位分布进行线性拟合，同时为了保证构成超构表面的基本单元的相位随频率变化具有较好的线性度，只取如图1所示的形状线性拟合系数R²>0.995的基本单元作为构成超构透镜的单元，且排布在位置r处的基本单元要同时满足φ_o(r,ω_o)和

即同时满足公式(3)和公式(4)。

图2是本实施例由上述六种基本单元构成的偏振无关消色差超构透镜在透镜不同径向位置的关于相位以及群延迟大小分布的理论值和实际值的比较，可见，本实施例的透镜在透镜不同径向位置的实际测试数与理论契合。

对基于所设计的六种不同形状基本单元构成的可见光偏振无关消色差超构透镜进行仿真测试，图3为在420纳米到700纳米不同波长下的聚焦效率和焦距位移的仿真结果，可见，在420纳米到700纳米，平均聚焦效率为88.3％，在450纳米到700纳米，平均聚焦效率为90.2％，且在不同波长的焦距位移保持稳定，变化很小。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种可见光消色差超构透镜，其特征在于：其包括亚波长的基本单元，所述可见光消色差超构透镜的相位分布φ(r,ω)满足公式(1)：

式(1)中，ω为角频率，c为光速，r为坐标，f为超构透镜的焦距；

排布在r处的基本单元同时满足中心频率ω_o对应的相位分布φ_o(r,ω_o)和相应的群延迟大小

其中，

2.根据权利要求1所述的可见光消色差超构透镜，其特征在于：所述基本单元为对称性结构。

3.根据权利要求2所述的可见光消色差超构透镜，其特征在于：所述基本单元为单个圆柱、单个方形柱、圆环柱、方形环柱、十字形柱或渔网结构柱体。

4.根据权利要求2所述的可见光消色差超构透镜，其特征在于：所述基本单元的高度为不小于1200纳米。值得一提的是，基本单元高度不小于1200纳米均可行，区别仅在于超构透镜的数值孔径。

5.根据权利要求4所述的可见光消色差超构透镜，其特征在于：所述基本单元的线性拟合系数R²>0.995。

6.根据权利要求1～5任意一项所述的可见光消色差超构透镜，其特征在于：所述基本单元为位于基底上的二氧化钛纳米柱。

7.一种如权利要求1～6任意一项所述的可见光消色差超构透镜的制备方法，其特征在于，其包括：

在镀有ITO的二氧化硅基底上蒸镀二氧化钛膜，在二氧化钛膜上涂覆光刻胶，采用电子束光刻机按照基本单元的形状图案对光刻胶进行曝光，然后进行显影，接着镀铬作为掩模板，随后通过剥离液进行剥离，再用反应离子束进行刻蚀，最后用去铬液去除残余的铬得到可见光消色差超构透镜。

8.根据权利要求7所述的可见光消色差超构透镜的制备方法，其特征在于：利用电子束进行蒸镀，蒸镀的真空度不小于E-7Torr数量级。

9.根据权利要求7所述的可见光消色差超构透镜的制备方法，其特征在于：蒸镀的镀率为

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