CN113655547B - 一种分辨率可调的超透镜阵列及实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分辨率可调的超透镜阵列及实现方法，该超透镜阵列由石英基底与一层硅纳米柱超表面结构组合而成，能够实现在特定波长的线偏振光入射下实现三种分辨率的切换。该超透镜阵列主要包括两大部分：超构表面的设计和超构表面的制造。超构表面设计为偏振三通道的超透镜。超构表面的制造包括电子束曝光、剥离金属和电感耦合等离子体刻蚀工艺；将超构表面设计完成的超透镜阵列利用电子束曝光、剥离金属和电感耦合等离子体刻蚀工艺等完成制备。可以在入射光波长不变的情况下实现三种分辨率的转换，具有多功能、体积小、易加工等优点，可以实现动态分辨率的调控。

Description

一种分辨率可调的超透镜阵列及实现方法

技术领域

本发明属于微纳光学技术领域，涉及一种分辨率可调的超透镜阵列技术及实现方法。

背景技术

传统的偏振成像系统和光场成像系统是分开的，而且其光学系统往往很复杂，加工精度要求高导致加工困难，笨重的体积使得器件难以集成。而随着智能设备的发展，光学系统的各类器件都向着微型化、集成化、多功能、高性能的方向发展。近年来，一种由亚波长尺寸和间隔的结构在二维平面内排列而成的超构表面被提出用来调控电磁波参量，通过合理地设计结构的形状、尺寸、位置和方向，超构表面可以实现光的相位、振幅、偏振和频率所有参量的任意调控，再加上超构表面超薄、超平的特点，将传统光学元件重新设计成轻薄化、多功能的新型元件，有望为减小光学系统复杂性给出新方案。

CN110244452A公开了一种消像差的液体介质超透镜，属于微纳光学成像领域。该超透镜包括：从上至下依次设置的上层超表面阵列、下表面镀有ITO导电层的上层超透镜石英基底、高分子聚合物层、上表面镀有ITO导电层的下层超透镜石英基底、下层超表面阵列；高分子聚合物层上附着有低介电常数液体介质，且高分子聚合物层与上层超透镜石英基底之间充满高介电常数液体介质。上层超表面阵列调节入射光波前，经过填充两种液体介质的间隙，形成聚焦所需的球面波，再由下层超表面阵列消除干扰波的影响并输出能够聚焦的透射光。通过外加电压的改变最终控制透射波的波前相位，弥补超表面原有不足，达到消像差的效果，构造了具有广泛应用前景与价值的超透镜光学系统。

目前国内外学者针对超构表面用于透镜聚焦做了一些探索，其中很多超构透镜都采用单一的聚焦模式，目前研究中偏振探测和成像中都是将超构表面作为单独元件，仍需要较大的空间光路，并未体现出超薄的特点。在实际使用中，需要更换单一分辨率的超透镜才能满足分辨率的变化，费时费力，也会引入不必要的误差。事实上，超构表面的主要优势之一就是对于偏振的亚波长调控，利用这一特点能对不同的入射偏振光进行调控，实现超透镜的偏振三通道功能，完成三种分辨率的动态切换，同时达到偏振检测的效果，进一步丰富功能，拓宽应用的场景，从而获得更多的信息与便利。

发明内容

本发明的目的在于提出了一种分辨率可调的超透镜阵列技术，可以在入射光波长不变的情况下实现三种分辨率的转换，具有多功能、体积小、易加工等优点，可以实现动态分辨率的调控。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种分辨率可调的超透镜阵列及实现方法，该超透镜阵列由石英基底与一层硅纳米柱超表面结构组合而成，能够实现在特定波长的线偏振光入射下实现三种分辨率的切换。该超透镜阵列主要包括两大部分：超构表面的设计和超构表面的制造。超构表面设计为偏振三通道的超透镜，利用矩形纳米柱的三个结构自由度实现三套相位的编制，每一套相位对应一种聚焦情况，即一种分辨率，通过入射线偏振光和对出射光的检偏，可以实现三种分辨率的切换，达到激光光束系统滤光的作用。超构表面的制造包括电子束曝光、剥离金属和电感耦合等离子体刻蚀工艺；将超构表面设计完成的超透镜阵列利用电子束曝光、剥离金属和电感耦合等离子体刻蚀工艺等完成制备。

本发明提供的一种分辨率可调的超构透镜阵列实现方法中，通过将三套相位编制入纳米柱结构中，当不同的入射线偏振光与出射线偏振光组合时，得到三种不同的聚焦模式，从而实现三种分辨率的变换，达到变换分辨率的功能。

实现该方法的分辨率可调的超透镜阵列包括石英基底和超构透镜阵列，其中超构透镜阵列为硅纳米结构阵列。

一种分辨率可调的超构透镜阵列实现方法，具体流程如下，为实现线偏振敏感选择长方形纳米柱结构的横截面，超构表面的入射波长为近红外波段内的1030nm，使用计算机FDTD软件仿真出高度一定，长轴与短轴尺寸在50nm到500nm范围内的纳米柱结构在入射光下产生的相位变化，从而组建出相位数据库。在三种分辨率间进行切换，需要在纳米柱结构中编制三种相位信息。长方形纳米柱结构的参数中，长、宽及旋转角三个参量提供了三个自由度，根据偏振光的相关理论，将三套相位信息编制进长方形纳米柱结构中。利用透镜相位公式计算出三种分辨率对应的具体的相位值，根据相位与结构参数的关系得出相应的结构相位值，以结构相位值对相位数据库进行匹配，从而确定出每个纳米柱结构的具体结构参数。纳米柱结构组合形成了超透镜，再将透镜单元阵列就得到最终变分辨率的超透镜阵列。

进一步地，当入射水平方向的线偏振光，出射水平方向的线偏振光时，每一个透镜单独聚焦，对应最高的分辨率。规定此时的单个透镜为最小单元。当入射水平方向的线偏振光，出射竖直方向的线偏振光或者入射竖直方向的线偏振光，出射水平方向的线偏振光时，4个相邻的单元透镜(2×2)等效于一个透镜聚焦于一点，对应中等分辨率；当入射竖直方向的线偏振光，出射竖直方向的线偏振光时，16个相邻的单元透镜(4×4)等效于一个透镜聚焦于一点，对应最低分辨率，实现偏振三通道，达到变分辨率。

进一步地，一种分辨率可调的超透镜阵列的制备方法：选择底层为玻璃，中间层为氧化铟锡透明电极ITO，表层为硅的电介质基底；在基底上旋涂聚甲基丙烯酸甲酯，加热烘干，使用电子束曝光再经过显影定影，得到所设计的结构图案。然后使用蒸发镀膜技术沉积电介质材料铬将所得结构图案填充满，利用丙酮剥离掉光刻胶及其上的铬，留下的铬作为刻蚀阶段的掩模。运用电感耦合等离子体刻蚀，以铬作为掩模向下刻蚀。刻蚀完毕后，运用化学方法去掉剩余的铬掩模，从而得到最终的超构表面。

进一步地，所述纳米柱结构的材料为硅。

进一步地，所述纳米柱结构的高度为600nm。

进一步地，所述纳米柱结构在所述电介质衬底表面的尺寸为50nm-400nm。

进一步地，所述纳米柱结构在所述电介质衬底表面任意设置。

与现有技术相比较，本发明具有如下的优点及效果：

1、本发明通过利用矩形纳米柱的三个自由度实现了动态分辨率的功能，可以利用单个超透镜阵列实现三种分辨率的转换。按照传统的超透镜技术，一种波长入射光对应一种聚焦模式，若要实现分辨率的调节，需要更换不同的超透镜，费时费力，非常不便捷。本发明将三个聚焦不同的超透镜的功能结合于一身，将三个超透镜整合成为一个超透镜阵列，多功能且便于使用。

2、本发明使用的是偏振敏感的矩形纳米柱结构，通过入射线偏振光与出射线偏振光的组合实现动态分辨率。最终的聚焦效果、入射偏振光和出射偏振光，三者中只需要知道其中两个量就能推算出第三个量，由此实现偏振检测，体现出了多功能的优点。

3、本发明的制备流程简单，便于加工制造和批量生产，绿色环保，比起传统的透镜设备，体积大大减小，且易集成，适用于多种光学应用的场合。

附图说明

图1为本方法实施流程图。

图2为一种分辨率可调的超透镜阵列的组成示意图。其中，1为玻璃底层，2为一层ITO(可有可无)用于导电防止曝光时电子束偏转，3为电介质材料硅纳米柱构成的超构透镜阵列层。

图3为超构表面结构排列示意图。

具体实施方式

为了使本发明方案的原理及优点更加清楚明白，以设计长方形截面的纳米柱超构表面为案例，对本发明进行进一步详细的说明。应当理解，此处描述仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一种分辨率可调的超构透镜阵列实现方法主要包括两部分：超构表面的设计方法和超构表面的制备，其具体流程如图1所示。

超构表面的设计，偏振敏感三通道的实现方法：为实现线偏振敏感选择长方形纳米柱的横截面，超构表面的入射波长为近红外波段内的1030nm，使用计算机FDTD软件仿真出高度一定，长轴与短轴尺寸在50nm到500nm范围内的纳米柱在入射光下产生的相位变化，从而组建出相位数据库。在三种分辨率间进行切换，需要在纳米柱结构中编制三种相位信息。长方形纳米柱结构参数里，长、宽及旋转角三个参量提供了三个自由度，根据偏振光的相关理论，将三套相位信息编制进长方形纳米柱中。利用透镜相位公式计算出三种分辨率对应的具体的相位值，根据相位与结构参数的关系得出相应的结构相位值，以结构相位值对相位数据库进行匹配，从而确定出每个纳米柱的具体结构参数。纳米柱组合形成了超透镜，再将透镜单元阵列就得到最终变分辨率的超透镜阵列。当入射水平方向的线偏振光，出射水平方向的线偏振光时，每一个透镜单独聚焦，对应最高的分辨率；当入射水平方向的线偏振光，出射竖直方向的线偏振光或者入射竖直方向的线偏振光，出射水平方向的线偏振光时，4个透镜透镜等效于一个透镜聚焦于一点，对应中等分辨率；当入射竖直方向的线偏振光，出射竖直方向的线偏振光时，16个透镜的等效于一个透镜聚焦于一点，对应最低分辨率，实现偏振三通道，达到变分辨率。

一种分辨率可调的超透镜阵列的制备方法：选择底层为玻璃，中间层为氧化铟锡透明电极ITO，表层为硅的电介质基底；在基底上旋涂聚甲基丙烯酸甲酯，加热烘干，使用电子束曝光再经过显影定影，得到所设计的结构图案。然后使用蒸发镀膜技术沉积电介质材料铬将所得结构图案填充满，利用丙酮剥离掉光刻胶及其上的铬，留下的铬作为刻蚀阶段的掩模。运用电感耦合等离子体刻蚀，以铬作为掩模向下刻蚀。刻蚀完毕后，运用化学方法去掉剩余的铬掩模，从而得到最终的超构表面。

进一步地，所述纳米柱结构材料为硅。

进一步地，所述纳米柱结构的高度为600nm，所述纳米柱结构在所述电介质衬底表面的尺寸为50nm-400nm，所述纳米柱结构在所述电介质衬底表面任意设置。

TIABC＝(超构透镜OR超透镜OR超表面OR超构表面)and TIABC＝(分辨率可调or可调分辨率)AND TIABC＝(偏振三通道)。

图3为超构表面结构排列示意图。左图显示了超透镜阵列是由N*N个正方形单元构成，其中每个正方形为一个单元透镜。每个单元透镜分别聚焦时对应最高的分辨率；当2*2个单元透镜聚焦于一点时对应中等的分辨率；当4*4个单元透镜聚焦于一点时对应最低的分辨率；中间图显示了纳米柱结构排列示意图，其尺寸和角度各不相同，但每个单元按周期阵列排列，即横向与纵向的间距相同。右侧图为超构表面单个纳米结构示意图。

每个超构透镜都起着聚焦光束的作用，每个纳米柱结构满足的透镜相位分布公式为：

其中，λ为光的波长,x、y为超透镜上纳米柱位置的坐标值，f为每个超透镜的焦距，φ就是纳米柱所形成的相位延迟，产生的相位与波长、位置有关。

每个纳米柱结构看成一个线性双折射单元，入射光和出射光之间通过琼斯矩阵来变换，则面内角度为θ的纳米柱结构可以用琼斯矩阵进行表达：

其中，θ为纳米柱长轴方向与偏振光所在振动面方向的夹角，φ_x和φ_y分别是入射光沿纳米结构长轴和短轴的相位延迟即数据库中不同尺寸下两个方向的相位值，T₀为角度θ为零的琼斯矩阵，R(θ)为旋转矩阵。

对于线偏振光，只要将结构的方向角和线偏振光的方向角一致即没有旋转矩阵，即可通过结构的一个方向的尺寸来获得所需要的相位延迟。

纳米柱结构的琼斯矩阵T(θ)展开为：

其中，θ为纳米柱长轴方向与偏振光所在振动面方向的夹角，φ_x和φ_y分别是入射光沿纳米结构长轴和短轴的相位延迟即数据库中不同尺寸下两个方向的相位值，i为虚数单位，e为自然常数，下同。

当入射光为水平方向的线偏振光时，即

时，E_o＝T(θ)·E_i，则出射光的琼斯矢量为：

其中，E_i为入射光的琼斯矢量，E_o为出射光的琼斯矢量，下同。

将出射光的琼斯矩阵进行简化，可知出射光包含了两种相位φ₁和φ₂。

当入射光为竖直方向的线偏振光时，即

时，E_o＝T(θ)·E_i，则出射光的琼斯矢量为：

将出射光的琼斯矩阵进行简化，可知出射光包含了两种相位φ₂和φ₃。

由此可知，当入射光为水平或竖直方向的线偏振光时，纳米柱结构一共可以得到三套不同的相位，只要将出射光进行检偏就能够实现三套相位的切换。利用透镜相位公式，当每个单元透镜分别聚焦时，对应最高分辨率，此时计算出φ₁的值；当2*2个单元透镜聚焦于一点时，对应中等分辨率，此时计算出φ₂的值；当4*4个单元透镜聚焦于一点时，对应最低分辨率，此时计算出φ₃的值。得到φ₁、φ₂、φ₃的具体值后，根据上述推导过程可解出φ_x、φ_y、θ，在数据库中运用误差匹配找到对应的具体结构参数，这样就完成了单个纳米柱的构造，即实现了偏振三通道的功能。由此，可以构造出相应的超透镜，实现变分辨率的超透镜阵列。

Claims (2)

1.一种分辨率可调的超构透镜阵列实现方法，该实现方法所对应的超透镜阵列由玻璃与一层硅纳米柱超表面结构组合而成，能够实现在特定波长的线偏振光入射下实现三种分辨率的切换；该超透镜阵列包括超构表面的设计和超构表面的制造；超构表面的设计为偏振三通道的超透镜，利用矩形纳米柱的三个结构自由度实现三套相位的编制，每一套相位对应一种聚焦情况，即一种分辨率，通过入射线偏振光和对出射光的检偏，实现三种分辨率的切换，达到激光光束系统滤光的作用；超构表面的制造包括电子束曝光、剥离金属和电感耦合等离子体刻蚀工艺；将超构表面设计完成的超透镜阵列利用电子束曝光、剥离金属和电感耦合等离子体刻蚀工艺完成制备；

其特征在于：通过将三套相位编制入纳米柱结构中，当不同的入射线偏振光与出射线偏振光组合时，得到三种不同的聚焦模式，从而实现三种分辨率的变换，达到变换分辨率；

实现该方法的分辨率可调的超透镜包括玻璃和超构透镜阵列，其中超构透镜阵列为硅纳米结构阵列；

超构表面的入射波长为近红外波段内的1030nm，使用计算机FDTD软件仿真出高度一定，长轴与短轴尺寸在50nm到500nm范围内的纳米柱结构在入射光下产生的相位变化，从而组建出相位数据库；在三种分辨率间进行切换，需要在纳米柱结构中编制三种相位信息；长方形纳米柱结构的参数中，长、宽及旋转角三个参量提供了三个自由度，根据偏振光相关理论，将三套相位信息编制进长方形纳米柱结构中；利用透镜相位公式计算出三种分辨率对应的具体的相位值，根据相位与结构参数的关系得出相应的结构相位值，以结构相位值对相位数据库进行匹配，从而确定出每个纳米柱结构的具体结构参数；纳米柱结构组合形成超透镜，再将超透镜单元阵列就得到最终变分辨率的超透镜阵列；

当入射水平方向的线偏振光，出射水平方向的线偏振光时，每一个超透镜单独聚焦，对应最高的分辨率；规定此时的单个超透镜为最小单元；当入射水平方向的线偏振光，出射竖直方向的线偏振光或者入射竖直方向的线偏振光，出射水平方向的线偏振光时，4个相邻的2*2超透镜等效于一个超透镜聚焦于一点，对应中等分辨率；当入射竖直方向的线偏振光，出射竖直方向的线偏振光时，16个相邻的4*4超透镜等效于一个超透镜聚焦于一点，对应最低分辨率，实现偏振三通道，达到变分辨率；

当入射光为水平或竖直方向的线偏振光时，纳米柱结构共得到三套不同的相位，只要将出射光进行检偏就能够实现三套相位的切换；利用透镜相位公式，当每个单元透镜分别聚焦时，对应最高分辨率，此时计算出φ₁的值；当2*2个单元透镜聚焦于一点时，对应中等分辨率，此时计算出φ₂的值；当4*4个单元透镜聚焦于一点时，对应最低分辨率，此时计算出φ₃的值；得到φ₁、φ₂、φ₃的具体值后，解出φ_x、φ_y、θ，在数据库中运用误差匹配找到对应的具体结构参数，完成单个纳米柱的构造，即实现偏振三通道功能；由此，构造出相应的超透镜，实现变分辨率的超透镜阵列；所述纳米柱结构的材料为硅；所述纳米柱结构的高度为600nm；所述纳米柱结构在电介质基底表面的尺寸为50nm-400nm；φ₁、φ₂、φ₃为纳米柱所形成的三种相位延迟；θ为纳米柱长轴方向与偏振光所在振动面方向的夹角；φ_x和φ_y分别是入射光沿纳米结构长轴和短轴的相位延迟即数据库中不同尺寸下两个方向的相位值。

2.根据权利要求1所述的一种分辨率可调的超构透镜阵列实现方法，其特征在于：选择底层为玻璃，中间层为氧化铟锡透明电极ITO，表层为硅的电介质基底；在电介质基底上旋涂聚甲基丙烯酸甲酯，加热烘干，使用电子束曝光再经过显影定影，得到所设计的结构图案；然后使用蒸发镀膜技术沉积电介质材料铬将所得结构图案填充满，利用丙酮剥离掉光刻胶及其上的铬，留下的铬作为刻蚀阶段的掩模；运用电感耦合等离子体刻蚀，以铬作为掩模向下刻蚀；刻蚀完毕后，运用化学方法去掉剩余的铬掩模，从而得到最终的超构表面。

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