CN114764156A - 一种红外全介质正交柱面超透镜 - Google Patents
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Abstract
一种红外全介质正交柱面超透镜涉及长波红外成像技术领域，解决了长波红外系统透过率偏低、能量损失大和加工工艺复杂的问题，包括透光基板、设置在透光基板一侧的第一亚波长阵列结构和设置在透光基板另一侧的第二亚波长阵列结构，所述第一亚波长阵列结构和第二亚波长阵列结构均能够会聚光线，在第一亚波长阵列结构和第二亚波长阵列结构的会聚方向相互垂直所述红外全介质正交柱面超透镜的相位为：
λ为入射光波长、f为聚焦焦距。本发明实现了长波红外单波长超表面透镜，减少了长波红外系统的镜片数量，透过率高、能量损失小，加工工艺较简单。
Description
技术领域
本发明涉及长波红外成像技术领域，具体涉及一种红外全介质正交柱面超透镜。
背景技术
超透镜是微纳结构超表面的一个热门研究方向。超透镜采用亚波长微纳结构进行光的波前调控，基于其对光波超强的操控能力，具有超轻、超薄、易集成等优点，成为了光学研究的热点，有望为纳米光学成像和超微型光电设备开劈一条新的道路。近年来，在可见光及近红外波段的超透镜研究发展良好，已实现了在可见光波段的单波长、多波长以及宽带消色散超透镜。但是对于目前，对于长波红外波段的超透镜的研究仍然较少。
长波红外是热成像区域波段，传统长波红外透镜材料还是晶体和玻璃两大类。与可见光的光学玻璃材料相比，具备理想的物理化学性能的红外材料种类非常有限，且红外材料的折射率一般较高，这导致其透过率普遍偏低，当镜片数量较多时，能量损失会很大。因此需尽量控制长波红外系统的镜片数量。其次长波红外系统加工工艺也较复杂，这些因素都导致了红外透镜系统价格昂贵。
发明内容
为了解决现有传统长波红外系统透过率偏低、能量损失大和加工工艺复杂的问题，本发明提供一种红外全介质正交柱面超透镜。
本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：
一种红外全介质正交柱面超透镜，其特征在于，包括透光基板、设置在透光基板一侧的第一亚波长阵列结构和设置在透光基板另一侧的第二亚波长阵列结构，所述第一亚波长阵列结构和第二亚波长阵列结构均能够会聚光线，第一亚波长阵列结构和第二亚波长阵列结构的会聚方向相互垂直，所述红外全介质正交柱面超透镜的相位为：
其中，λ为入射光波长、f为红外全介质正交柱面超透镜的聚焦焦距，(x，y)为透光基板上的位置坐标，透光基板上的光轴通过点为坐标原点。本发明的有益效果是：
本发明的一种红外全介质正交柱面超透镜实现了长波红外单波长入射光的聚焦，实现了类似常规透镜的圆斑聚焦效果。本发明通过一片微纳结构实现了传统红外透镜组的功能，具有超轻、超薄、易集成的优点，为纳米光学成像和超微型光电设备开劈一条新的道路。本发明相较传统红外透镜组，具有透过率高、能量损失小等优势。本发明所需的加工工艺较简单。
附图说明
图1为本发明的一种红外全介质正交柱面超透镜的第二亚波长阵列结构的光路会聚图。
图2为本发明的一种红外全介质正交柱面超透镜的光路图。
图3为本发明的具有圆柱型单元结构的一种红外全介质正交柱面超透镜一种实施方式的聚焦结果示意图。
图4为本发明的具有圆柱型单元结构的一种红外全介质正交柱面超透镜另一种实施方式的聚焦结果示意图。
图5为本发明的具有矩形柱型单元结构的一种红外全介质正交柱面超透镜的单元结构的结构图。
图6为本发明的具有矩形柱型单元结构的一种红外全介质正交柱面超透镜的结构图。
图7为本发明的具有椭圆柱型单元结构的一种红外全介质正交柱面超透镜的单元结构的结构图。
图8为本发明的具有椭圆柱型单元结构的一种红外全介质正交柱面超透镜的结构图。
图中：1、透光基板，2、第一亚波长阵列结构，3、第二亚波长阵列结构，4、单元结构。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
一种红外全介质正交柱面超透镜，包括透光基板1、设置在透光基板1一侧的第一亚波长阵列结构2和设置在透光基板1另一侧的第二亚波长阵列结构3。
第一亚波长阵列结构2、透光基板1和第二亚波长阵列结构3从左至右顺次设置。第一亚波长阵列结构2在第一方向会聚光线，第二亚波长阵列结构3在第二方向会聚光线，第一方向垂直于第二方向。第一亚波长阵列结构2相当于一个柱面超透镜，第二亚波长阵列结构3也相当于一个柱面超透镜。柱透镜实现的是对入射光单一方向的会聚作用，另一个方向不对光束有会聚作用。从左至右入射到本发明的第一亚波长阵列结构2的光束有会聚作用，若没有第二亚波长阵列结构3，光束经第一亚波长阵列结构2会聚于第一条焦线，即第一亚波长阵列结构2能够对入射到其上的光束会聚成为第一线状光斑；假设不具有第一亚波长阵列结构2，第二亚波长阵列结构3对从左至右入射到其上的光束有会聚作用，且会聚于第二条焦线，即第二亚波长阵列结构3能够对入射到其上的光束会聚成为第二线状光斑，如图1。本实施方式中第一线状光斑平行于水平面，第二线状光斑垂直于水平面。也就是说，第一亚波长阵列结构2的会聚光束作用(会聚方向)和第二亚波长阵列结构3的会聚光束作用正交，入射到一种红外全介质正交柱面超透镜上的光束经第一亚波长阵列结构2会聚、透光基板1透射、第二亚波长阵列结构3会聚后得到圆形光斑。
第一亚波长阵列结构2和第二亚波长阵列结构3的结构相同，第一亚波长阵列结构2与在透光基板1上绕原点转动90°/-90°的第二亚波长阵列结构3关于透光基板1对称，第一亚波长阵列结构2和旋转后的第二亚波长阵列关于透光基板1对称。也就是若将第一亚波长阵列结构2绕Z轴(Z轴垂直于XY平面直角坐标系且与原点相交，也就是空间直角坐标系的Z轴)旋转+90°/-90°，旋转后的第一亚波长阵列结构2相对于透光基板1和第二亚波长阵列结构3对称，即透光基板1作为对称面。第一亚波长阵列结构2和第二亚波长阵列结构3均相当于一个柱面超透镜，本文将第一亚波长阵列结构2和第二亚波长阵列结构3的关系称之为正交。
第一亚波长阵列结构2和第二亚波长阵列结构3统称为亚波长阵列结构，亚波长阵列结构为单元结构4构成的阵列。第一亚波长阵列结构2的单元结构4和第二亚波长阵列结构3的单元结构4一一对应设置，单元结构4为亚波长结构，单元结构4的尺寸小于一种红外全介质正交柱面超透镜的工作波长。单元结构4可采用圆柱型、椭圆柱型或矩形柱型，沿平行于透光基板1的平面截取单元结构4所得到的截面的尺寸小于一种红外全介质正交柱面超透镜的工作波长，若单元结构4采用圆柱型，则截面为圆形，圆形的直径小于工作波长，若单元结构4采用椭圆型，则截面为椭圆，椭圆的长轴小于工作波长，若单元结构4采用矩形柱型，则截面为矩形，矩形的长和宽均小于工作波长。第一亚波长阵列结构2中，两相邻单元结构4中心位置之间的距离为固定值。第二亚波长阵列结构3中，两相邻单元结构4中心位置之间的距离为固定值。中心位置可理解为单元结构4的质心，即圆柱型的质心、椭圆型的质心、矩形柱型的质心。第一亚波长阵列结构2和第二亚波长阵列结构3通过改变单元结构4尺寸，以及通过P-B相位原理改变相同尺寸的单元结构4的角度，实现对相位的调控，从而实现对光线的会聚。
如图2，入射到一种红外全介质正交柱面超透镜的光束传播过程为：光束入射到第一亚波长阵列结构2产生对光的第一次调控，光束继续穿过透光基板1后到达第二亚波长阵列结构3上，经过第二亚波长阵列结构3对光的第二次调控后，得到会聚光斑。
传输模式下，为实现会聚，红外全介质正交柱面超透镜的相位用以下等式表示：
其中，λ为入射光波长，f为红外全介质正交柱面超透镜的聚焦焦距，以透光基板1所在平面建立XY平面直角坐标系，(x，y)为透光基板1上的位置坐标，(0，0)为坐标原点，坐标原点即透光基板1上的光轴通过点。
由于正柱透镜对光有汇聚作用，一个柱透镜对物成像，只在一个方向上有会聚或发散作用，另一个方向作用同平板玻璃，不对光束有会聚或发散作用。本实施方式选择对单一方向进行设计仿真，即实现柱面超透镜的设计。取y＝0，可得所需相位轮廓公式为：
根据几何光学原理可知，一个柱透镜对物成像，只在一个方向有会聚作用，而把两个柱透镜正交后组合可以实现类似于球面透镜的会聚。那么在透明基底介质两侧，排列垂直方向的相位调控超透镜实现正交柱透镜的效果。
常规圆超透镜上的相位轮廓为：
其中，fc为常规圆超透镜的聚焦焦距，(xc，yc)为常规圆超透镜上的位置坐标，常规圆超透镜的光轴通过点为(xc，yc)所在直角坐标系的原点。
在不考虑两个密接柱面超透镜与透光基板1厚度时，可得到相位调控柱面超透镜的相位轮廓分别为：
假设，两个正交柱面超透镜的聚焦效果与圆超透镜的聚焦效果相同，可以得到：
Φ＝Φx+Φy
分析整理，可以得到，其实现条件为：
x2·y2＝0
而在本发明的柱面超透镜尺度上，可以满足上述条件。
将两个焦距相同的柱面超透镜密接正交放置，其能实现一个类似于圆超透镜的聚焦斑点。
本发明一种红外全介质正交柱面超透镜以透光基板1(长波红外波段近透明材料基板)为支撑与连接，分别在其两侧按相位需求排布阵列。第一亚波长阵列结构2和第二亚波长阵列结构3均单独具有柱透镜的聚焦效果，即只对入射光的单一方向具有会聚光线的作用，第一亚波长阵列结构2和第二亚波长阵列结构3对光束会聚方向正交。
透光基板1为具备较高折射率并在红外波段具有高透过率的材料，可采用氟化物(例如MgF2、CaF2、NaF)、硒化物(例如ZnSe)或硫化物(例如ZnS)等材料，第一亚波长阵列结构2和第二亚波长阵列结构3均采用与环境对比具有高折射率的材料，可采用硅或锗等材料。
将透光基板1采用MgF2材料，第一亚波长阵列结构2和第二亚波长阵列结构3均采用Si材料，亚波长阵列结构的每个单元结构4均为半径尺寸不等的圆柱型，每个单元结构4的尺寸小于工作波长λ、尺寸约为1-3微米，如图3和图4为两种不同尺寸亚波长结构得到的聚焦结果，白色区域为聚焦光斑，在红外波段入射波长下，在一定范围内，满足正交密接柱透镜实现的聚焦效果近似于圆超透镜。
如图5所示的红外全介质正交柱面超透镜为第一亚波长阵列结构2和第二亚波长阵列结构3的单元结构4为尺寸相同的矩形柱，如图6为图5的部分结构的示意图(从左至右分别为部分结构的俯视图和三维图)，部分结构图包括1个第一亚波长阵列结构2的单元结构4、1个第二亚波长阵列结构3的单元结构4和部分透光基板1。基于P-B相位，通过改变矩形柱的角度实现对相位的调控，在红外波段入射波长下，在一定范围内，满足正交密接柱透镜实现的聚焦效果近似于圆超透镜。
如图7所示的红外全介质正交柱面超透镜为第一亚波长阵列结构2和第二亚波长阵列结构3的单元结构4为尺寸相同的椭圆柱，如图8为图7的部分结构的示意图(从左至右分别为部分结构的俯视图和三维图)，部分结构图包括1个第一亚波长阵列结构2的单元结构4、1个第二亚波长阵列结构3的单元结构4和部分透光基板1。基于P-B相位，通过改变矩形柱的角度实现对相位的调控，在红外波段入射波长下，在一定范围内，满足正交密接柱透镜实现的聚焦效果近似于圆超透镜。
本发明为了解决现有透射型超透镜在红外波段的不足，基于超表面结构的透射型超透镜，提出了一种红外全介质正交柱面超透镜。基于惠更斯电磁超表面的设计思路，结合一系列高透射率且可控的覆盖2π透射相位的介质人工原子实现基于介质超表面的超透镜。亚波长阵列结构选用在设计波长对比环境折射率具有高对比的材料，将电磁波高度集中在阵列结构中，选用在长波红外波段具有高透射的材料作为介质超表面的基底，以此减少基板结构中的能量损耗。本发明的一种红外全介质正交柱面超透镜实现了长波红外单波长超表面透镜，具有超轻、超薄、易集成的优点，本发明为纳米光学成像和超微型光电设备开劈一条新的道路。本发明减少了长波红外系统的镜片数量，透过率高、能量损失小，加工工艺较简单。
Claims (10)
1.一种红外全介质正交柱面超透镜，其特征在于，包括透光基板、设置在透光基板一侧的第一亚波长阵列结构和设置在透光基板另一侧的第二亚波长阵列结构，所述第一亚波长阵列结构和第二亚波长阵列结构均能够会聚光线，第一亚波长阵列结构和第二亚波长阵列结构的会聚方向相互垂直，所述红外全介质正交柱面超透镜的相位为：
其中，λ为入射光波长、f为红外全介质正交柱面超透镜的聚焦焦距，(x，y)为透光基板上的位置坐标，透光基板上的光轴通过点为坐标原点。
2.如权利要求1所述的一种红外全介质正交柱面超透镜，其特征在于，所述第一亚波长阵列结构的单元结构和第二亚波长阵列结构的单元结构一一对应设置。
3.如权利要求2所述的一种红外全介质正交柱面超透镜，其特征在于，所述单元结构为圆柱型、椭圆柱型或矩形柱型。
4.如权利要求2所述的一种红外全介质正交柱面超透镜，其特征在于，所述单元结构的尺寸小于入射光波长。
5.如权利要求1所述的一种红外全介质正交柱面超透镜，其特征在于，所述第一亚波长阵列结构和第二亚波长阵列结构的材料均为硅或均为锗。
6.如权利要求1所述的一种红外全介质正交柱面超透镜，其特征在于，所述透明基板的材料为氟化物、硒化物或硫化物。
7.如权利要求1所述的一种红外全介质正交柱面超透镜，其特征在于，所述第一亚波长阵列结构和第二亚波长阵列结构的结构相同。
8.如权利要求1所述的一种红外全介质正交柱面超透镜，其特征在于，第一亚波长阵列结构绕垂直且相交坐标原点的轴转动90°/-90°后与所述第二亚波长阵列结构关于透明基板对称。
9.如权利要求1所述的一种红外全介质正交柱面超透镜，其特征在于，所述第一亚波长阵列结构和第二亚波长阵列结构的焦距相等。
10.如权利要求1所述的一种红外全介质正交柱面超透镜，其特征在于，所述第一亚波长阵列结构中，两相邻单元结构中心位置之间的距离为固定值；所述第二亚波长阵列结构中，两相邻单元结构中心位置之间的距离为固定值。
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