CN113917575A - 一种基于相变材料的多档可变焦超透镜组 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于相变材料的多档可变焦超透镜组，包括两个超透镜，两超透镜均由相变材料制成，两超透镜分别设置在同一基底的两侧，在基底与两侧超透镜之间均设有导电层。本发明超透镜组的变焦原理为基于相变材料在不同相态下所展现出的不同光学性质，从而以此特性控制由相变材料制成的超透镜的光学性质，之后以多透镜级联的组合形式，构建出一种通过调整材料相态以及入射圆偏振光旋向，即可实现变焦功能的超透镜组。相对于现有的超透镜变焦模式来说，所需结构部件更少，也无需非常高精密度的仪器设备操纵要求，整体变焦操作的难易程度大大降低；同时本发明超透镜变焦模式拥有多达7个焦距调节档位，变焦能力较强。

Description

一种基于相变材料的多档可变焦超透镜组

技术领域

本发明属于微纳光学及偏振光学技术领域，具体涉及一种基于相变材料的多档可变焦超透镜组。

背景技术

超透镜是基于能够灵活调控入射电磁波的超表面提出的光学器件。它能够克服传统光学透镜所固有的体积大、加工工艺要求高、分辨率受限等缺点，并实现亚波长的聚焦与成像功能；而上述特性正好与当今光学系统的小型化、集成化的发展趋势相吻合。然而在当今光学产业中，阻碍超透镜成像技术走向实用化的最主要的一个因素便是难以实现变焦功能，即超透镜一旦制作出来后，其结构便被固定下来，相应地也只能拥有某个特定的焦距。

现有技术中已被提出的一些用于解决超透镜变焦问题的技术方案，都存在相应的缺陷有待克服。例如①采用机械拉伸弹性介质的方案中，相关器件体积较大，并且操作较为复杂；②利用微机电系统调节不同透镜间的相对关系的方案中，同样也有着结构复杂、调制频率太低的问题；③基于莫尔透镜原理通过改变具有特定相位分布的两个超表面相对位置的方案，则需要面对亚微米尺度下的精确对准及旋转问题。

因此，受困于当下其他科学技术的局限性，有必要提出一种更为容易实现的技术方案，以解决超透镜的变焦问题。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种基于相变材料的多档变焦超透镜组，用以解决超透镜的变焦问题。

本发明通过以下技术手段实现上述技术目的。

一种基于相变材料的多档可变焦超透镜组，包括两个超透镜，两超透镜均由相变材料制成，两超透镜分别设置在同一基底的两侧，在基底与两侧超透镜之间均设有导电层。

进一步地，所述超透镜由几何相位纳米柱阵列构成，纳米柱为相变材料，各纳米柱均为立方体结构或均为椭圆柱结构，相邻纳米柱间的中心间距相等。

进一步地，各个纳米柱的偏转角

其中(x，y)为纳米柱中心点相对超透镜中心点(0，0)的横纵坐标，λ为入射光的波长，f为纳米柱所在超透镜的焦距。

进一步地，所述纳米柱的相变材料为由锗、锑、碲三种元素及其所在族的元素组合而成，或者为VO₂材料。

进一步地，所述纳米柱的材料为Ge₂Sb₂Te₅，纳米柱为立方体结构，长l＝0.35μm、宽w＝0.1μm、高h＝0.8μm，相邻纳米柱中心间距p＝0.7μm。

进一步地，所述导电层材料为氧化铟锡，厚度t＝0.1μm。

进一步地，所述基底材料为SiO₂，厚度d＝0.5μm。

进一步地，在使用时，入射光为圆偏振光。

进一步地，在使用时，通过调节入射圆偏振光的旋向以及两超透镜各自材料的相态，以此变换超透镜组的总焦距F。

进一步地，所述超透镜组的总焦距为：

其中f₁和f₂分别为两侧超透镜的焦距，m＝d+2t+h为两侧超透镜之间的中心间距。

本发明的有益效果为：

(1)本发明提供了一种多档可变焦超透镜组，其原理为基于相变材料在不同相态下所展现出的不同光学性质，从而以此特性控制由相变材料制成的超透镜的光学性质，之后以多透镜级联的组合形式，构建出一种通过调整材料相态以及入射圆偏振光旋向，即可实现焦距变换功能的超透镜组。

(2)本发明所提供的这种变焦手段，相对于现有的几种超透镜变焦模式来说，所需要的结构部件更少，也无需非常高精密度的仪器设备操纵要求，因此整体变焦操作的难易程度大大降低；同时本发明超透镜变焦模式拥有多达7个焦距调节档位，即拥有较强的变焦能力。

(3)本发明超透镜组在极限分辨率上也拥有较强的优势。

附图说明

图1为本发明多档可变焦超透镜组总体结构图；

图2为本发明多档可变焦超透镜组截选部分结构示意图；

图3为本发明多档可变焦超透镜组中纳米柱排布示意图；

图4为本发明纳米柱偏转角度示意图；

图5为GST纳米柱对1.55μm波长圆偏振光的偏振转换率与其偏转角度关系图；

图6为GST纳米柱对1.55μm波长圆偏振光的交叉偏振相位与其偏转角度关系图；

图7为GST纳米柱对1.55μm波长圆偏振光的同偏振透过率与其偏转角度关系图；

图8为GST纳米柱对1.55μm波长圆偏振光的同偏振相位与偏转角度关系图；

图9为本发明实施例在其模式1、4、5下的电场传播仿真图；

图10为本发明实施例在模式1下的焦平面电场分布图；

图11为本发明实施例在模式4下的焦平面电场分布图；

图12为本发明实施例在模式5下的焦平面电场分布图。

附图标记：

1-第一超透镜； 2-第二超透镜； 3-导电层； 4-基底；

5-纳米柱。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所示实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相通或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

1、总体结构

如图1所示为本发明变焦超透镜组的总体结构，包括两个超透镜，分别为第一超透镜1和第二超透镜2，每个超透镜均由几何相位纳米柱5阵列构成，即如图所示的大量纳米柱5以阵列形式密集排布在一平面上，其中纳米柱5为相变材料，各纳米柱5的形状尺寸相同，相邻纳米柱5的中心间距相等，但各纳米柱5的偏转角度不等；在两个超透镜之间设有基底4，在基底4两侧表面(也即基底4与各超透镜之间)分别设有导电层3。

2、创新思想

本发明的整体创新思想是：通过相变材料构建超透镜，进而基于相变材料在其晶态与非晶态两种相态下所表现出的不同光学特性，实现对所构建超透镜的光学性质的改变。而本发明在同一个基底两侧均设置上述由相变材料所构建的超透镜，也即相当于传统透镜的多透镜级联模式，进而通过控制两侧超透镜的光学性质，实现两超透镜之间的不同级联模式，而不同级联模式下，由两超透镜所组成的超透镜组的总焦距也不相同，从而以此方式达到超透镜组总焦距的多档调节目的。而上述相变材料的相态切换，则通过设置导电层进行控制。

3、参数定义

如图2～4所示，基底4厚度为d，基底4两侧分别设置厚度为t的导电层3，导电层3表面密布纳米柱5阵列，纳米柱5为立方体结构，长为l、宽为w、高为h，每一层纳米柱5阵列中，相邻纳米柱5的中心间距为p，纳米柱5的偏转角为θ，偏转角θ的具体定义为：如图4所示，在由超透镜顶部至基底4的视图方向上，纳米柱5长边相对X轴逆时针方向的偏转角度；各纳米柱5的偏转角θ具体数值并不相同，如图3所示，在XY平面上(平行于超透镜的面)，以超透镜中心点作为零点(0，0)，设任一纳米柱5中心点坐标为(x，y)，则相应此纳米柱5的偏转角记为θ(x，y)。须注意，附图2仅用于示意尺寸参数的定义，并不反应各纳米柱5真实的偏转情况。

当然，除立方体结构外，纳米柱5还可以制成椭圆柱结构；当纳米柱5为椭圆柱结构时，其椭圆的长轴对应于立方体结构的长l，椭圆的短轴对应于立方体结构的宽w。

4、理论说明

1)纳米柱5为相变材料。相变材料在非晶态时对圆偏振光的偏振转化率远大于其在晶态时，因而相变材料对圆偏振光相当于拥有开关作用。在本发明中，所选用的相变材料为由锗、锑、碲三种元素及其所在族的元素组合而成，例如Ge₂Sb₂Te₅、Ge₃Sb₂Te₆等，或者相变材料也可以选用VO₂等材料；这类相变材料的共同特点是：在近红外波段，可以通过外界激励的方式实现对其晶态与非晶态两种相态间的转换，如采用加热、通电或光照方式；并且这类相变材料在不同相态下的折射率差异也很大。

2)基于上述相变材料的特性，随着相变材料在晶态与非晶态两个相态之间切换，对于圆偏振光，由相变材料所制成的超透镜也将表现出两种状态，分别是①非晶态时，纳米柱5工作，超透镜表现为正常透镜，拥有相应的焦距，会对光线产生会聚效果；②晶态时，纳米柱5不工作，超透镜则类似于平面玻璃，焦距∞，也即不会聚光线。

3)对于不同旋向(左旋或右旋)的圆偏振光，第一超透镜1或第二超透镜2都有两个相反的极性，也就是具体表现为焦距是正还是负。在实际应用时，对于圆偏振光的生成，可首先通过线偏振片生成线偏振光(LP)，之后再通过1/4波片，使线偏振光(LP)变为圆偏振光(CP)，而左旋圆偏振光(LCP)和右旋圆偏振光(RCP)，则可以通过将1/4波片转动90°实现两者的切换。

4)因而综上2)、3)，本发明变焦超透镜组中的两个超透镜共拥有7种级联模式。而两透镜级联所构成的透镜组的总焦距F的计算公式为：

其中f₁为第一超透镜1的焦距，f₂为第二超透镜2的焦距，m为两超透镜之间的中心间距，在本发明中m＝d+2t+h。也即综上，本发明变焦超透镜组共有7个焦距调节档位，以f₁和f₂分别为10μm和15μm为例，下表1所示为相应的7个可调焦距。

表1：7档可调焦距

5)基底4作为对整个变焦超透镜组结构的支持部位，一方面需要起到较好的支撑作用，另一方面对超透镜的光学影响要尽可能小。本发明对于基底4的材料种类并无特别限制，可直接选用现有超透镜基底材料；在具体选择时，所选用的基底材质要既能保证对于入射光拥有较高的透射率，也要保证与两侧导电层3有良好的连结性，同时还不能影响两侧超透镜的会聚成像。

6)导电层3作为对超透镜的控制器件。本发明所选用的相变材料，可以通过大电流或高能激光脉冲进行相态改变，其本质都是以加热方式改变材料相态；而本发明则具体采用电流控制材料相态；相应的，导电层3实质上是在基底4上制备的一层导电薄膜，该导电薄膜的材质及厚度，除了要能保证拥有较高的导电性外，还需要对入射光有较高的透过率。

5、具体实施例

选择波长λ＝1.55μm的光作为入射光进行测试，此波长是光通信领域中最常用的波长。

相变材料选择Ge₂Sb₂Te₅(GST)，其具体非晶态时相对介电常数为20.5+1.58i、晶态时相对介电常数为45.33+27.11i，可见两相态下的性质差异很大；纳米柱5的尺寸l＝0.35μm，w＝0.1μm，h＝0.8μm，相邻两纳米柱5中心间距(也称单元结构周期)p＝0.7μm。

如图5～8所示为GST纳米柱5在1.55μm圆偏振光入射下所测得的特性，当然实际情况下纳米柱5必须制备在基底上而无法单独拎出，故本实施例也是在有基底4和导电层3的情况下对纳米柱5进行的相应光学性能测试。其中图5所示，GST纳米柱5在非晶态时的交叉偏振透过率(偏振转化率)大于0.6，而在晶态时则仅为0.06左右，并且此特性也不随着纳米柱5偏转角度θ发生变化；此点印证了GST纳米柱5在非晶态时工作，而在晶态时不工作。图6所示表明入射光经GST纳米柱5后生成的交叉偏振光产生了相位调制，其调制量为纳米柱5偏转角度θ的2倍，符合几何相位超表面的理论预期。图7所示为同偏振透过率，与图5交叉偏振透过率相呼应，图8所示为同偏振相位与纳米柱5偏转角度θ的对应关系。综合图7和图8可印证：只有非晶态的GST纳米柱5能够实现几何相位调制，而晶态时入射光则直接保持原偏振状态透射过去。由此综合图5～8，证明GST纳米柱5通过非晶态与晶态的切换，可以实现对光场调制的开关作用。

导电层3材料选择氧化铟锡(ITO)，厚度t＝0.1μm，其在可见光及红外波段具有极高的透过率；在所选定的测试波长1.55μm，其相对介电常数为0.2699+0.4468i，具有良好的导电性。通过将ITO导电层3通入电流对GST纳米柱5加热，当温度超过GST材料相变温度160℃时，GST材料转变为晶态；晶态纳米柱5再经过加热熔化-淬火处理后，又可以恢复到非晶态。上述“加热熔化-淬火”在本发明的具体操作是继续加大导电层3电流，使得GST相变材料温度进一步升高至熔融状态，之后立即进行急速冷却，整个冷却凝固过程需要控制在10ns内完成，否则冷却凝固时间过长，GST相变材料会有充足时间再次重组为晶态。GST相变材料在完成相态转变并撤去外部激励后，是非常稳定的，也即能够在室温条件下，长久得保持在晶态或非晶态，具有非易失性。此外需注意，上述对于GST相变材料的“加热熔化”和“熔融状态”，并非宏观常规意义上所认知的“冰块加热融化成水”这种完全由固态变为液态并发生肆意流动，而是依然能够保持其原本的固态立方体结构；具体的GST相变材料及其相变控制属于现有技术，已较为成熟地应用于相变存储器领域。

基底4为SiO₂，厚度d＝0.5μm，其对于入射光具有极高的透过率，相对介电常数为2.08254。

为使纳米柱5阵列能够具备透镜功能，纳米柱5阵列的几何相位分布需满足公式：

其中f为所制备透镜的焦距，也即对应于本发明第一超透镜1的焦距f₁和第二超透镜2的焦距f₂。

基于上述相位分布公式，以及相位调制量与纳米柱5偏转角度θ为2倍的对应关系，各纳米柱5的偏转角θ(x，y)的计算公式为：

6、效果测试

在本测试中，分别设计两超透镜的纳米柱5阵列结构，以使得当LCP由两超透镜各自顶部射入并由基底射出时，第一超透镜1的焦距f₁为10μm，第二超透镜2的焦距f₂为15μm。在测试时，保证入射光始终由第一超透镜1的顶部射入，之后经共同的基底4射入第二超透镜2，最后再由第二超透镜2顶部射出；则通过调节两超透镜的材料相态以及入射圆偏振光的旋向，相应得到如表1所示的7种模式。

1)其中在模式1、4、5下，本发明超透镜组的总焦距F为正，表现为会聚光线。图9所示为超透镜组在模式1、4、5下的电场传播仿真图，可以直观看出具有良好的聚焦效果。

2)超透镜分辨率

透镜分辨率的衍射极限计算公式为：

而对于超透镜有：

因而超透镜的衍射极限为：

其中D为超透镜的孔径大小，在本实施例中D＝13.3μm；因而由此可算出模式1、4、5下，本发明超透镜组的分辨率极限分别为0.9030λ，1.2337λ，0.6230λ。相应的，图10、11、12所示分别为本实施例中超透镜组在模式1、4、5下的焦平面电场分布，由图示可看出，模式1、4、5下的半峰全宽(FWHM)分别为1.03λ，1.38λ，0.97λ，此实测结果与上述理论计算得到的各自分辨率极限非常接近。

综上，本发明超透镜组能够实现多达7档的多档可变焦距调节，并且拥有较高的分辨率。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变形均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于相变材料的多档可变焦超透镜组，其特征在于：包括两个超透镜，两超透镜均由相变材料制成，两超透镜分别设置在同一基底(4)的两侧，在基底(4)与两侧超透镜之间均设有导电层(3)。

2.根据权利要求1所述的基于相变材料的多档可变焦超透镜组，其特征在于：所述超透镜由几何相位纳米柱(5)阵列构成，纳米柱(5)为相变材料，各纳米柱(5)均为立方体结构或均为椭圆柱结构，相邻纳米柱(5)间的中心间距相等。

3.根据权利要求2所述的基于相变材料的多档可变焦超透镜组，其特征在于：各个纳米柱的偏转角为：

其中(x，y)为纳米柱中心点相对超透镜中心点(0，0)的横纵坐标，λ为入射光的波长，f为纳米柱(5)所在超透镜的焦距。

4.根据权利要求2所述的基于相变材料的多档可变焦超透镜组，其特征在于：所述纳米柱(5)的相变材料为由锗、锑、碲三种元素及其所在族的元素组合而成，或者为VO₂材料。

5.根据权利要求4所述的基于相变材料的多档可变焦超透镜组，其特征在于：所述纳米柱(5)的材料为Ge₂Sb₂Te₅，纳米柱(5)为立方体结构，长l＝0.35μm、宽w＝0.1μm、高h＝0.8μm，相邻纳米柱(5)中心间距p＝0.7μm。

6.根据权利要求5所述的基于相变材料的多档可变焦超透镜组，其特征在于：所述导电层(3)材料为氧化铟锡，厚度t＝0.1μm。

7.根据权利要求6所述的基于相变材料的多档可变焦超透镜组，其特征在于：所述基底(4)材料为SiO₂，厚度d＝0.5μm。

8.根据权利要求7所述的基于相变材料的多档可变焦超透镜组，其特征在于：在使用时，入射光为圆偏振光。

9.根据权利要求8所述的基于相变材料的多档可变焦超透镜组，其特征在于：在使用时，通过调节入射圆偏振光的旋向以及两超透镜各自材料的相态，变换超透镜组的总焦距F。

10.根据权利要求9所述的基于相变材料的多档可变焦超透镜组，其特征在于：所述超透镜组的总焦距为：

其中f₁和f₂分别为两侧超透镜的焦距，m＝d+2t+h为两侧超透镜之间的中心间距。

Images