CN113189685A

CN113189685A - 一种用于可见光聚焦成像的超表面光学元件

Info

Publication number: CN113189685A
Application number: CN202110482121.4A
Authority: CN
Inventors: 骆天治; 苗春光; 顾天奇
Original assignee: Taizhou Luohua Biotechnology Co ltd
Current assignee: Taizhou Luohua Biotechnology Co ltd
Priority date: 2021-04-30
Filing date: 2021-04-30
Publication date: 2021-07-30

Abstract

本发明公开了一种用于可见光聚焦成像的超表面光学元件，属于超表面聚焦成像元件领域，本发明包括二氧化硅基底和碳化硅纳米柱，纳米柱在基底上进行正方形阵列排序，本发明通过调整纳米柱的直径从而调制入射光的相位。本发明具有可应用于大部分成像系统，具有体积小、重量轻、环境稳定、易于集成等优点，是替代传统光学透镜的理想选择之一。

Description

一种用于可见光聚焦成像的超表面光学元件

技术领域

本发明涉及超表面聚焦成像元件领域，具体涉及一种用于可见光聚焦成像的超表面光学元件。

背景技术

超表面是近些年来发展起来的一种新型二维光学材料，其基本单元由亚波长结构构成，具有超轻超薄的性质，理论上可以在亚波长尺度对光场进行相位、振幅等多种电磁调控，以此为基础制成的超表面器件可以轻松实现传统光学器件难以实现、甚至无法实现的特殊功能，因此超表面作为光学成像元件已经应用于内窥镜、虚拟现实等领域，以其在分辨率及小型化等方面的优势，深受市场用户的欢迎。

而在取得巨大成功的同时，由于不少超分辨成像技术原理复杂，加工成本高昂，实现起来条件苛刻，使得系统成本居高不下，从而大大限制了其实用性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种集成度高、尺寸小的用于可见光聚焦成像的超表面光学元件。

本发明的技术方案是：一种用于可见光聚焦成像的超表面光学元件，元件包括二氧化硅基底和碳化硅纳米柱，所述纳米柱在基底上进行正方形阵列排序，通过调整纳米柱的直径从而调制入射光的相位。

进一步的技术方案，基底的一侧侧面划分成正方形单元网格，所述正方形单元网格内放置尺寸相同的碳化硅纳米柱。

进一步的技术方案，正方形单元网格的网格周期为400nm。

进一步的技术方案，碳化硅纳米柱的结构尺寸：高度为H＝600nm，圆柱直径为D＝80nm～270nm。

本发明的有益效果：

本发明基于等效介质理论和时域有限差分算法，针对介质材料设计稳定性和光转换效率高的微纳结构表面；利用电子束蒸发和深紫外光刻技术进行微纳加工；选取合适的工艺参数，制备尺寸精度高和光斑小的超表面功能元件。

附图说明

图1为本发明的光线通过超表面光学器件的聚焦示意图和器件表面单元结构示意图；

图2为碳化硅纳米圆柱的空间分布俯视图；

图3为超表面聚焦成像元件三维侧视图；

图4为该光学原件的直径与相位延迟的对应关系；

图5为时域有限差分法FDTD软件模拟获得的超表面透镜结构焦平面内的光斑图；

图6为时域有限差分法FDTD软件模拟获得的XOZ平面内的场强图。

具体实施方式

下面通过非限制性实施例，进一步阐述本发明，理解本发明。

本发明中提供了一种集成度高、尺寸小的用于可见光聚焦成像的超表面光学元件，基本单元的基底和纳米柱如图1-3所示，由于碳化硅在可见光范围内具有较高的折射率和透光率，且热膨胀系数接近于零，在环境温度急剧变化的情况下也能保持良好的结构稳定性；二氧化硅作为常用的衬底材料，加工成本低，且能保证良好的面形精度和粗糙度，因此本发明中选取二氧化硅为基底，碳化硅为纳米柱材料。

在基底上将纳米柱进行正方形阵列排序，可以通过调整纳米结构圆柱体的直径从而调制入射光的相位，实现设计所需的不同光学性能。

根据等效介质理论，通过改变高折射率介质材料在单元结构内的比例构成来调节单元结构透过或反射系数，进而调控整个单元结构的等效介电常数或磁导率。利用由Smith和Schultz(2002)提出的时域有限差分法，可以对给定尺寸的光学器件进行光学性能模拟，从而实现结构优化。

首先，在亚波长尺度内，可以将超表面结构等效成连续均匀的介质已经得到了广泛的证明，但对于等效介电常数的磁导率一直没有明确的解析解。在此基础上，Smith和Schutz提出了利用S参数(一般指透射系数T和反射系数R)来反演等效折射率n和阻抗Z，进而通过如下关系求得介电常数ε和磁导率μ：

ε＝n/Z，μ＝nZ (1)

对于周期性超表面结构，入射光沿-z方向传播。通过传输矩阵法求解边界条件，可得其透射系数T和反射系数R与阻抗Z和等效折射率n的关系如下：

其中，T’＝Te^ikh，方程2为二元方程组，求解可得：

虽然公式(3)中的符号还不明确，但可以根据具体情况进行判断。本实施例中采用无源材料，其阻抗的实部和折射率的虚部一般为正。

因此，通过公式(1)-(3)计算所得的纳米柱的结构尺寸如下，其中：直径D＝80nm～270nm，高度H＝600nm，周期λ＝350nm，其中直径的选取与相位延迟有关，二者的关系如图4，元件的口径φ＝20μm，纳米柱的个数N＝2561。

基于此理论，通过改变材料在单元结构内的形状或其所占的比例构成，则可以改变单元结构整体的透射系数和反射系数，调控单元结构的整体有效折射率，进而可以调控光在单元结构传播过程中累计的相位。一般来说，介质材料与周围环境材料的折射率差异越大，单元结构的厚度就可以越小，因此高折射率往往被用于减少结构的厚度。

如图4-6所示，本发明设计的具体步骤如下：

(1)利用时域有限差分法FDTD软件中时域有限差分算法进行几何参数寻优；入射光的波长为633nm，且为圆偏振光；碳化硅折射率为2.60，二氧化硅为1.45，上下边界设定为完全匹配层吸收边界条件，四周边界设定为周期性边界条件，采集器放置在纳米柱上方2.5μm(H1)处，元件口径为1μm；

(2)将二氧化硅基底的一个表面划分成正方形单元网格，网格周期为λ＝400nm；在每个网格单元中心处放置碳化硅纳米圆柱，圆柱高度为H＝600nm，圆柱直径为D＝80nm～270nm；

(3)圆柱的直径随单元中心至透镜中心的距离增加而减小，在数值模拟过程中设定波长变化步长为5nm，并进行遍历；通过计算采集器中的光波相位延迟，获得直径与相位延迟的对应关系。根据这个对应关系，选择最优的直径作为最终器件中碳化硅纳米柱的直径。

本发明选取的材料碳化硅具有接近于零的热膨胀系数，能在温度变化的环境中具有良好的聚焦性能。本发明中通过由亚波长间距纳米结构圆柱体阵列组成的超表面透镜，该透镜集成度高，厚度薄，可以在微米量级。由于本发明的质量特别轻，像差和色差要好于现有高质量物镜，因此特别适合设备系统小型化和快速定位与扫描。

综上所述，作为光学成像系统的核心组件，在可见光范围内，本产品可应用于大部分成像系统，具有体积小、重量轻、环境稳定、易于集成等优点，是替代传统光学透镜的理想选择之一。

Claims

1.一种用于可见光聚焦成像的超表面光学元件，其特征在于，所述元件包括二氧化硅基底和碳化硅纳米柱，所述纳米柱在基底上进行正方形阵列排序，通过调整纳米柱的直径从而调制入射光的相位。

2.根据权利要求1所述的一种用于可见光聚焦成像的超表面光学元件，其特征在于，所述基底的一侧侧面划分成正方形单元网格，所述正方形单元网格内放置尺寸相同的碳化硅纳米柱。

3.根据权利要求2所述的一种用于可见光聚焦成像的超表面光学元件，其特征在于，所述正方形单元网格的网格周期为400nm。

4.根据权利要求1所述的一种用于可见光聚焦成像的超表面光学元件，其特征在于，所述碳化硅纳米柱的结构尺寸：高度为H＝600nm，圆柱直径为D＝80nm～270nm。