CN114397718A - 无热化超透镜及其设计方法 - Google Patents

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CN114397718A CN202210170121.5A CN202210170121A CN114397718A CN 114397718 A CN114397718 A CN 114397718A CN 202210170121 A CN202210170121 A CN 202210170121A CN 114397718 A CN114397718 A CN 114397718A
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Abstract

本申请提供了一种无热化超透镜，属于光学技术领域。该无热化超透镜包括基底和周期性排列在所述基底至少一侧的纳米结构；其中，所述纳米结构的折射率温度系数小于参考折射率温度系数；或者，所述纳米结构由至少两种材料构成，所述至少两种材料的折射率温度系数乘积小于零。该无热化超透镜通过使纳米结构折射率温度系数小于参考折射率温度系数，或通过至少两种折射率温度系数乘积小于零的材料组成纳米结构，从而使纳米结构的等效折射率对温度变化不敏感，改善了温漂引起的超透镜成像性能降低。

Description

无热化超透镜及其设计方法
技术领域
本申请涉及光学技术领域，具体而言，涉及一种无热化超透镜及其设计方法。
背景技术
通常，设计光学系统时，仅对20℃的单一环境进行温度。但是，光学系统在较大温度范围内使用时，镜筒材料、光学材料的热胀冷缩以及光学材料的温度折射率系数会使镜头光焦度发生变化，出现离焦现象，导致成像质量变差。这种现象也称为温漂。能够克服温漂影响的透镜被称为无热化透镜。
相关技术中的通过不同折射率温度系数的光学材料之间的相互配合解决传统透镜的温漂问题。与传统透镜不同，超透镜是超表面技术的一种具体应用。超表面是一种亚波长厚度的人工层状材料，通过其上阵列排布的纳米结构对入射光的频率、幅度和相位进行调控。现有技术中还未出现解决超透镜温漂问题的方案，也就是说，现有技术中无热化透镜的设计仍是空白。
因此，随着超透镜技术的产业化，亟需一种无热化超透镜以改善温漂引起的超透镜成像性能降低。
发明内容
为解决现有技术不能改善温漂引起的超透镜成像性能降低的技术问题，填补无热化超透镜的空白，本申请实施例提供了一种无热化超透镜及其设计方法。
第一方面，本申请实施例提供了一种无热化超透镜，包括基底和周期性排列在所述基底至少一侧的纳米结构；
其中，所述纳米结构的折射率温度系数小于参考折射率温度系数；或者，所述纳米结构由至少两种材料构成，所述至少两种材料的折射率温度系数乘积小于零。
可选地，所述参考折射率温度系数大于或等于0.01×10-6/K，且小于或等于3000×10-6/K。
可选地，当所述纳米结构由至少两种材料构成时，所述纳米结构沿其高度轴方向的材料不统一。
可选地，当所述纳米结构由至少两种材料构成时，所述纳米结构沿垂直于其高度轴方向的材料不统一。
可选地，所述基底对工作波段的消光系数小于10-4。
可选地，所述纳米结构对工作波段的消光系数小于10-2。
可选地，所述纳米结构以超结构单元的形式排列；
所述超结构单元为可密堆积图形，所述可密堆积图形的顶点和/或中心位置设置有所述纳米结构。
可选地，所述超透镜单元的形状包括正三角形、正方形、正六边形或扇形等形状中的一种或多种。
可选地，所述纳米结构为偏振相关结构。
可选地，所述纳米结构为偏振不敏感结构。
可选地，所述无热化超透镜还包括填充材料；
所述填充材料填充在所述纳米结构之间。
第二方面，本申请实施例还提供了一种无热化超透镜设计方法，上述任一实施例提供的方法设计，适用于上述任一实施例提供的无热化超透镜，包括：
步骤S1，确定所述无热化超透镜的系统参数；
步骤S2，基于所述系统参数，选用一种折射率温度系数小于参考折射率温度系数的材料或至少两种折射率温度系数乘积小于零的材料设计所述纳米结构；
步骤S3，对所述纳米结构进行温漂分析；
步骤S4，若温漂分析结果不符合设计要求，则重复是所述步骤S2至所述步骤S3，直到所述纳米结构的温漂分析结果符合设计要求。
可选地，所述步骤S2中，选用至少两种折射率温度系数乘积小于零的材料设计所述纳米结构包括：
步骤S201，计算不同温度下所述纳米结构的等效折射率；
步骤S202，基于如下公式得出纳米结构中各材料的高度或厚度：
Figure BDA0003517306820000031
或
Figure BDA0003517306820000032
其中，dni/dT为所述纳米结构中各材料的折射率温度系数；hi为所述纳米结构中各材料的高度，H为所述纳米结构的高度；di为所述纳米结构中各材料沿垂直于高度轴方向的厚度，D为所述纳米结构中各材料的总厚度。
可选地，所述步骤S3中，对所述纳米结构进行温漂分析包括：
步骤S301，根据折射率温度系数计算不同温度下纳米结构折射率、填充物折射率以及基底折射率；
步骤S302，根据所述纳米结构折射率、所述填充物折射率以及所述基底折射率计算该无热化超透镜的等效折射率；
步骤S303，根据等效折射率和所述纳米结构的高度计算所述无热化超透镜的相位响应；
步骤S304，根据不同温度下的相位响应计算所述无热化超透镜的焦点偏移量。
可选地，所述步骤S3中，对所述纳米结构进行温漂分析包括：
步骤S301，根据折射率温度系数计算不同温度下纳米结构折射率、填充物折射率以及基底折射率；
步骤S302’，根据所述纳米结构折射率、所述填充物折射率以及所述基底折射率通过数值仿真计算获得该无热化超透镜的相位响应；
步骤S304，根据不同温度下的相位响应计算所述无热化超透镜的焦点偏移量。
本申请实施例提供的无热化超透镜及其设计方法，至少取得以下有益效果：
本申请实施例提供的无热化超透镜及其设计方法，通过使纳米结构折射率温度系数小于参考折射率温度系数，或通过至少两种折射率温度系数乘积小于零的材料组成纳米结构，从而使纳米结构的等效折射率对温度变化不敏感，改善了温漂引起的超透镜成像性能降低。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或背景技术中的技术方案，下面将对本申请实施例或背景技术中所需要使用的附图进行说明。
图1示出了本申请实施例所提供的无热化超透镜的一种可选示意图；
图2示出了本申请实施例所提供的无热化超透镜的又一种可选示意图；
图3示出了本申请实施例所提供的无热化超透镜的一种可选纳米结构排布的示意图；
图4示出了本申请实施例所提供的无热化超透镜的又一种可选纳米结构排布的示意图；
图5示出了本申请实施例所提供的无热化超透镜的又一种可选纳米结构排布的示意图；
图6示出了本申请实施例所提供的纳米结构的一种可选示意图；
图7示出了本申请实施例所提供的纳米结构的又一种可选示意图；
图8示出了本申请实施例所提供的无热化超透镜设计方法的一种可选示意图；
图9示出了本申请实施例所提供的无热化超透镜设计方法的又一种可选示意图；
图10示出了本申请实施例所提供的无热化超透镜设计方法的又一种可选示意图；
图11示出了本申请实施例所提供的无热化超透镜设计方法的又一种可选示意图；
图12示出了本申请实施例所提供的一种可选的无热化超透镜在不同温度下的相位差；
图13示出了本申请实施例所提供的又一种可选的无热化超透镜在不同温度下的相位差。
图中附图标记分别表示：
100-基底；200-纳米结构；300-超结构单元。
具体实施方式
为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的首选实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本申请的公开内容更加透彻全面。
需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件并与之结合为一体，或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“安装”、“一端”、“另一端”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
对于传统透镜，由于温度的变化，透镜的面型由于热胀冷缩发生变化，导致透镜发生离焦，从而使成像效果恶化。光学透镜的面型变化受到轴向温度梯度的影响。轴向温度梯度是指透镜的两个表面之间的温度差。对于传统透镜，通常认为当透镜的轴向温度梯度小于4℃时，透镜面型变化不会引起温漂。
对于超透镜，由于超透镜的厚度远小于传统透镜，其轴向温度梯度也远小于4℃。因此，普遍认为超透镜面型变化产生的离焦不足以使其成像效果恶化。于是也产生了超透镜不需要无热化设计的技术偏见。
然而，当超透镜处于较大温度范围(例如-20℃～100℃)时，其温漂依然会影响成像质量。尤其是，将超透镜用于精密仪器时，温漂对起成像效果的影响更为显著。例如，当超透镜与激光技术结合时，由于激光的功率远高于普通光束，所以超透镜在激光照射下，其轴向温度梯度显著增加，温漂现象更加明显。
此外，超透镜通过其上的纳米结构对入射光施加突变相位达到调控入射光的目的。而温度变化会对纳米结构的光学性能产生不利影响，从而降低超透镜的成像性能。
因此，亟需一种无热化超透镜，以克服超透镜的温漂对起成像效果的影响。
本申请实施例提供了一种无热化超透镜，如图1至图2所示，该无热化超透镜包括基底100和周期性排列在基底100至少一侧的纳米结构200。其中，纳米结构200的折射率温度系数小于参考折射率温度系数；或者，纳米结构200由至少两种材料构成，上述至少两种材料的折射率温度系数的乘积小于零。
需要说明的是，折射率温度系数(dn/dT)是指单位温度引起的折射指数变化。参考折射率温度系数由该无热化超透镜的工作温度范围确定。可选地，参考折射率温度系数大于或等于0.01×10-6/K，且小于或等于3000×10-6/K。
由于超透镜通过纳米结构对入射光进行调控，而温度变化会对纳米结构的光学性能产生影响。因此，本申请实施例提供的无热化超透镜，通过对纳米结构200的折射率温度系数进行调控，降低纳米结构200的光学性能受温度变化的影响。
具体而言，本申请实施例提供的无热化超透镜中，可选地，如图1所示，纳米结构200由单一材料构成。纳米结构200优选由一种折射率温度系数小于参考折射率温度系数的材料构成。更具体地，单一材质的纳米结构200，其相位随温度变化而产生的变化小于参考值。例如，纳米结构200的相位随温度变化而产生的变化小于5％。当单一材料构成的纳米结构200依然无法使该无热化超透镜满足在设计要求的大范围温度下的使用时，如图2所示，可以通过采用两种或两种以上材料组成纳米结构200。此类纳米结构200中，所有材料的折射率温度系数乘积小于零。通过对纳米结构200的等效折射率温度系数进行调控，使纳米结构200的等效折射率对温度不敏感。
进一步地，对于至少两种材料构成的纳米结构200，沿其高度轴方向的材料不统一。例如，纳米结构200由上下两段不同材料的结构组成。应理解，对于至少两种材料构成的纳米结构200，沿垂直于其高度轴方向的材料不统一。例如，纳米结构200为圆柱形结构，沿其直径方向，材料不统一。需注意，上述不统一是指沿指定方向纳米结构200由至少两种材料组成。更优选地，对于至少两种材料构成的纳米结构200，其整体折射率温度系数的绝对值小于参考折射率温度系数。
更进一步地，本申请实施例提供的基底100和纳米结构200在工作波段高透过率。可选地，基底100对工作波段的消光系数小于10-4。可选地，纳米结构200对工作波段的消光系数小于10-2。
本申请实施例可选的实施例中，如图3至图5所示，无热化超透镜中，纳米结构200以超结构单元300的形式排列，超结构单元300为可密堆积图形。该可密堆积图形的顶点和/或中心位置设置有纳米结构200。优选地，超结构单元300的形状包括正三角形、正方形、正六边形或扇形等形状中的一种或多种。
示例性地，如图6所示，纳米结构200可以是偏振相关结构，此类结构对入射光施加一个几何相位。如图7所示，纳米结构200也可以是偏振不敏感结构，此类结构对入射光施加一个传播相位。
在一些示例的实施方式中，本申请实施例提供的无热化超透镜还包括填充材料，该填充材料填充在各纳米结构200之间。填充材料包括空气或其他在工作波段高透过率的材料。可选地，填充材料对工作波段的消光系数小于10-2。优选地，填充材料的折射率和纳米结构200的等效折射率的差值的绝对值大于0.5。
因此，本申请实施例提供的无热化超透镜通过对纳米结构折射率温度系数进行调控，从而使纳米结构的等效折射率对温度变化不敏感，改善了温漂引起的超透镜成像性能降低。
另一方面，如图8所示，本申请实施例还提供了一种无热化超透镜设计方法，适用于上述任一实施例提供的无热化超透镜。该方法包括：
步骤S1，确定无热化超透镜的系统参数。该参数包括：工作温度阈值(低温阈值和高温阈值)、工作波段、视场角、焦距和口径等。
步骤S2，基于系统参数，选用一种折射率温度系数小于参考折射率温度系数的材料或至少两种折射率温度系数乘积小于零的材料设计纳米结构200。
步骤S3，对纳米结构200进行温漂分析。
步骤S4，若温漂分析结果不符合设计要求，则重复步骤S2至步骤S3，直到纳米结构200的温漂分析结果符合设计要求。
本申请实施例中，如图9所示，步骤S2中，选用至少两种折射率温度系数乘积小于零的材料设计纳米结构200包括：
步骤S201，计算不同温度下纳米结构200的等效折射率。该步骤是为了计算出dn/dT曲线。步骤S202，基于如下公式(1)或公式(2)得出纳米结构中各材料的高度或厚度：
Figure BDA0003517306820000081
Figure BDA0003517306820000082
其中，dni/dT为纳米结构200中各材料的折射率温度系数；hi为纳米结构200中各材料的高度，H为纳米结构200的高度；di为纳米结构200中各材料沿垂直于高度轴方向的厚度，D为纳米结构200中各材料的总厚度。
在本申请可选的实施例中，如图10所示，步骤S3中，对纳米结构200进行温漂分析为通过理论模型分析，包括：
步骤S301，根据折射率温度系数计算不同温度下纳米结构折射率n(T)、填充物折射率ne(T)以及基底折射率ns(T)。
步骤S302，根据纳米结构折射率、填充物折射率以及基底折射率计算该无热化超透镜的等效折射率neff(T)。
步骤S303，根据等效折射率neff(T)和纳米结构200的高度计算该无热化超透镜的相位响应
Figure BDA0003517306820000091
步骤S304，根据不同温度下的相位响应
Figure BDA0003517306820000092
计算该无热化超透镜的焦点偏移量。由于温漂现象的本质是焦点的偏移，故根据焦点偏移量可以定量分析温度对该无热化超透镜的影响。
在本申请又一些可选的实施例中，如图11所示，步骤S3中，对纳米结构200进行温漂分析为通过数值仿真分析，包括：
步骤S301，根据折射率温度系数计算不同温度下纳米结构折射率n(T)、填充物折射率ne(T)以及基底折射率ns(T)。
步骤S302’，根据纳米结构折射率、填充物折射率以及基底折射率通过数值仿真计算获得该无热化超透镜的相位响应
Figure BDA0003517306820000093
步骤S304，根据不同温度下的相位响应
Figure BDA0003517306820000094
计算该无热化超透镜的焦点偏移量。
上述温漂分析方法中，利用理论模型分析速度快，而利用数值仿真分析的速度虽然比利用理论模型慢，但是准确度更高。
实施例1
示例性地，本申请实施例提供了一种无热化超透镜，包括石英基底和设置在其上的非晶硅纳米结构。该无热化超透镜的口径为1mm，焦距为2.5mm，工作波长为近红外940mm。纳米结构的材质为非晶硅，高度为500nm，以正六边形为超结构单元进行排列。正六边形的周期为450nm，纳米结构位于正六边形的顶点位置。该无热化超透镜工作环境的低温阈值为-20℃，高温阈值为100℃。
该无热化超透镜在940nm波段下的温漂分析如下。
由于工作波长为940nm时，非晶硅的折射率温度系数为3x10-4/K。故，纳米结构在-20℃和100℃的折射率分别为3.4927与3.5287。以20℃为标准温度，通过理论模型分析可得该无热化超透镜在-20℃和100℃的相位差分别为1.83°与3.66°；使用数值仿真模型得-20℃和100℃的相位差分别为2.76°与1.54°，参考图12。图12示出了该无热化超透镜中不同编号的纳米结构在不同温度下的相位响应。根据图12计算出该无热化超透镜在最低温度和最高温度之间的焦点漂移量小于等于387nm，其最大焦点偏移量小于500nm。
因此，实施例1中提供的无热化超透镜对温度不敏感。
实施例2
示例性地，本申请实施例提供了又一种无热化超透镜，包括石英基底和设置在其上的纳米结构。该无热化超透镜的口径为1mm，焦距为2.5mm，工作波长为近红外940mm。沿远离基底的方向纳米结构的材质依次为蓝宝石和氟化钡(参数见表1)。根据公式(1)计算出纳米结构中氟化钡的高度为715nm，蓝宝石的高度为785nm。实施例2中纳米结构以正六边形为超结构单元进行排列。正六边形的周期为550nm，纳米结构位于正六边形的顶点位置。该无热化超透镜工作环境的低温阈值为-20℃，高温阈值为100℃。
该无热化超透镜在940nm波段下的温漂分析如下。
由于工作波长为940nm时，非晶硅的折射率温度系数为3x10-4/K。参见表1，纳米结构中的氟化钡，其对940nm波段的折射率为1.479；纳米结构的蓝宝石，其对940nm波段的折射率为1.757。另外表1示出了，氟化钡的折射率温度系数为-15/K，蓝宝石的折射率温度系数为-13.7/K。以20℃为标准温度，图13示出了该无热化超透镜中不同编号的纳米结构在不同温度下的相位响应。如图13所示，实施例2中所有纳米结构在不同温度下的最大相位差仅为0.6°。根据图13计算出该无热化超透镜在最低温度和最高温度之间的焦点漂移量小于等于56nm，其最大焦点偏移量远小于500nm。
因此，实施例2中提供的无热化超透镜对温度不敏感。
表1氟化钡与蓝宝石参数表
Figure BDA0003517306820000111
综上所述，本申请实施例提供的无热化超透镜及其设计方法，通过对纳米结构折射率温度系数进行调控，从而使纳米结构的等效折射率对温度变化不敏感，改善了温漂引起的超透镜成像性能降低。
以上所述，仅为本申请实施例的具体实施方式，但本申请实施例的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请实施例披露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请实施例的保护范围之内。因此，本申请实施例的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (15)

1.一种无热化超透镜，其特征在于，所述无热化超透镜包括基底(100)和周期性排列在所述基底(100)至少一侧的纳米结构(200)；
其中，所述纳米结构(200)的折射率温度系数小于参考折射率温度系数；或者，所述纳米结构(200)由至少两种材料构成，所述至少两种材料的折射率温度系数乘积小于零。
2.如权利要求1所述的无热化超透镜，其特征在于，所述参考折射率温度系数大于或等于0.01×10-6/K，且小于或等于3000×10-6/K。
3.如权利要求1所述的无热化超透镜，其特征在于，当所述纳米结构(200)由至少两种材料构成时，所述纳米结构(200)沿其高度轴方向的材料不统一。
4.如权利要求1所述的无热化超透镜，其特征在于，当所述纳米结构(200)由至少两种材料构成时，所述纳米结构(200)沿垂直于其高度轴方向的材料不统一。
5.如权利要求1-4任一所述的无热化超透镜，其特征在于，所述基底(100)对工作波段的消光系数小于10-4。
6.如权利要求1-4任一所述的无热化超透镜，其特征在于，所述纳米结构(200)对工作波段的消光系数小于10-2。
7.如权利要求1-4任一所述的无热化超透镜，其特征在于，所述纳米结构(200)以超结构单元(300)的形式排列；
所述超结构单元(300)为可密堆积图形，所述可密堆积图形的顶点和/或中心位置设置有所述纳米结构(200)。
8.如权利要求7所述的无热化超透镜，其特征在于，所述超透镜单元(300)的形状包括正三角形、正方形、正六边形或扇形等形状中的一种或多种。
9.如权利要求1-4任一所述的无热化超透镜，其特征在于，所述纳米结构(200)为偏振相关结构。
10.如权利要求1-4任一所述的无热化超透镜，其特征在于，所述纳米结构(200)为偏振不敏感结构。
11.如权利要求1-4任一所述的无热化超透镜，其特征在于，所述无热化超透镜还包括填充材料；
所述填充材料填充在所述纳米结构(200)之间。
12.一种无热化超透镜设计方法，其特征在于，适用于如权利要求1-11任一所述的无热化超透镜，所述方法包括：
步骤S1，确定所述无热化超透镜的系统参数；
步骤S2，基于所述系统参数，选用一种折射率温度系数小于参考折射率温度系数的材料或至少两种折射率温度系数乘积小于零的材料设计所述纳米结构(200)；
步骤S3，对所述纳米结构(200)进行温漂分析；
步骤S4，若温漂分析结果不符合设计要求，则重复是所述步骤S2至所述步骤S3，直到所述纳米结构(200)的温漂分析结果符合设计要求。
13.如权利要求12所述的无热化超透镜设计方法，其特征在于，所述步骤S2中，选用至少两种折射率温度系数乘积小于零的材料设计所述纳米结构(200)包括：
步骤S201，计算不同温度下所述纳米结构(200)的等效折射率；
步骤S202，基于如下公式得出纳米结构的高度或厚度：
Figure FDA0003517306810000031
或
Figure FDA0003517306810000032
其中，dni/dT为所述纳米结构(200)中各材料的折射率温度系数；hi为所述纳米结构(200)中各材料的高度，H为所述纳米结构(200)的高度；di为所述纳米结构(200)中各材料沿垂直于高度轴方向的厚度，D为所述纳米结构(200)中各材料的总厚度。
14.如权利要求12所述的无热化超透镜设计方法，其特征在于，所述步骤S3中，对所述纳米结构(200)进行温漂分析包括：
步骤S301，根据折射率温度系数计算不同温度下纳米结构折射率、填充物折射率以及基底折射率；
步骤S302，根据所述纳米结构折射率、所述填充物折射率以及所述基底折射率计算该无热化超透镜的等效折射率；
步骤S303，根据等效折射率和所述纳米结构(200)的高度计算所述无热化超透镜的相位响应；
步骤S304，根据不同温度下的相位响应计算所述无热化超透镜的焦点偏移量。
15.如权利要求12所述的无热化超透镜设计方法，其特征在于，所述步骤S3中，对所述纳米结构(200)进行温漂分析包括：
步骤S301，根据折射率温度系数计算不同温度下纳米结构折射率、填充物折射率以及基底折射率；
步骤S302’，根据所述纳米结构折射率、所述填充物折射率以及所述基底折射率通过数值仿真计算获得该无热化超透镜的相位响应；
步骤S304，根据不同温度下的相位响应计算所述无热化超透镜的焦点偏移量。
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