CN118330789A - 一种宽带消色差红外波全介质波束调控器 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种宽带消色差红外波全介质波束调控器，属于光学仪器和光电子技术领域。本发明基于自由结构的超构单元实现；通过控制超构单元的排布，操纵反射波的波前；自由结构的超构单元采用随机算法生成数值范围限定在[0，1]的自由随机矩阵；根据自由随机矩阵的灰度值生成图像，图像满足C4对称分布；对满足条件的图像进行去噪处理，生成自由度极高的自由形状超构原子。自由结构的超构单元包括：四角星型结构、十字形结构、由算法生成的自由随机结构和方环形结构；自由结构的超构单元的材料为锗材料。本发明通过对红外波段内宽带光波的精确相位调控，实现在不同波长下所需的相位分布，进而实现波束偏折、聚焦、以及赋形等各种波束调控功能。

Description

一种宽带消色差红外波全介质波束调控器

技术领域

本发明涉及一种宽带消色差红外波全介质波束调控器，特别涉及一种基于全介质编码超表面的宽带消色差红外波段波束调控器，属于光学仪器和光电子技术领域。

背景技术

光学元件在各领域中的应用日益广泛，尤其是在红外波段的宽带光学系统中，消色差技术的需求愈发迫切。这包括天文观测、国防科技中的空间与地基空间目标探测与识别、激光大气传输以及惯性约束聚变等领域。同时，民用领域中的特种眼镜、照明系统、投影显示等领域也在寻求更高性能的光学系统。

随着光学设计水平的不断提高和机械制造技术的不断进步，光学系统性能的提升成为技术创新的核心。传统光学元件在波束调控上往往难以有效校正宽带范围内的色差，尤其是在红外波段，这会很大程度上限制光学系统的性能，同时传统光学材料在红外波段的透光性可能不足，无法满足特定波段的消色差需求。衍射光学元件虽能提供一定程度的色差校正，但可能难以与传统光学系统高度集成，从而对整体性能造成一定的影响。

为了实现红外波段高质量的光学成像，宽带消色差技术变得至关重要。红外波段的光学系统对色差的带宽要求上比可见光要更宽，而传统的消色差方法往往受到带宽、口径、复杂形状难以加工等限制。因此，提出一种在宽带范围内实现消色差的红外波全介质波束调控器，不仅能够满足高精度的色差校正需求，还能适应不同复杂形状光学面的调控要求，提高系统的抗振性能，将在光学系统的设计与制造中具有重要的意义。

鉴于当前技术水平和市场需求，本专利致力于提供一种全新的宽带消色差红外波全介质波束调控器，以解决现有技术面临的诸多挑战。通过创新性的设计和先进的材料应用，本专利将为红外波段的光学系统提供更高效、更精确的消色差方案，推动红外光学系统的发展迈向新的高度。

发明内容

为了解决消色差红外波段波束调控器的带宽问题，本发明提供一种宽带消色差红外波全介质波束调控器，基于自由形状的超原子全介质超构表面技术，建立精密设计、加工可实现的亚波长超单元设计方法，基于亚波长超单元设计方法得到宽带消色差红外波全介质波束调控器；通过对红外波段内宽带光波的精确相位调控，实现波束偏折、聚焦、以及赋形等各种波束调控功能。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明公开的一种宽带消色差红外波全介质波束调控器，基于自由结构的超构单元实现；通过控制超构单元的排布，操纵反射波的波前；自由结构的超构单元采用随机算法生成数值范围限定在[0，1]的自由随机矩阵；根据自由随机矩阵的灰度值生成图像，所述图像满足C4对称分布；对满足条件的图像进行去噪处理，生成自由度极高的自由形状超构原子。

进一步地，所述自由结构的超构单元包括：四角星型结构、十字形结构、由算法生成的自由随机结构和方环形结构；所述自由结构的超构单元的材料为锗材料。

进一步地，所述自由结构的超构单元的排布方法：

对于消色差超构透镜，所需相位随色散的分布为：

式中，ω＝ω₀为入射光的最小角频率(ω₀＝ω_min)，c代表真空中光速的大小，Φ₀为其对应相位，f是超构透镜的设计焦距。确定每个位置处r选取单元结构，单元结构的尺寸需满足其相位值等于Φ₀，相位色散等于Φ-Φ₀表明，该结构每个位置可以实现宽带范围内每个波长聚焦透镜所需要的相位调控，从而实现消色差超透镜。

进一步地，所述自由结构的超构单元的排布方法：

对于波束偏折角度的精确调控，采用以下相位分布公式：

这里Φ代表入射光的相位分布，λ代表工作波长，θ代表光束的偏折角度，沿x轴方向所在距离x处的位置。

确定每个位置x处选取的单元结构，单元结构的尺寸需满足其在参考频率ω₀下的相位值等于Φ₀(r，ω₀)，同时，为了实现宽带消色差效果，该单元结构需要在不同频率ω下实现所需的相位变化ΔΦ(r，ω)＝Φ(r，ω)-Φ₀(r，ω₀)，从而确保每个位置处的超构单元能够对宽带范围内的每个波长实现必要的相位调控，使得超构透镜可以在宽带范围内实现每个波长所需的精确相位控制，进而实现消色差效果。

在此基础上，为了保证宽带波段内的偏折角度一致性，通过优化超构单元以实现在不同波长下所需的相位分布，以确保超构透镜的偏折效率和角度的宽带一致性。超构透镜不仅能实现特定波长下的高效偏折，还能保持在整个工作波段内偏折效率和角度的稳定性。

自由形状超构单元的设计方法，包括如下步骤：

步骤S1：随机生成范围限定在[0，1]的N×N网格矩阵，其在网格内的排布满足C4对称原则；其中C代表旋转对称，4代表旋转操作能够重复4次，即该自由形状围绕某一中心点旋转90度后，该物体的形状和结构看起来仍与旋转前相同；

步骤S2：利用阈值函数对网格数据进行二值化处理，将生成的[0,1]范围内的随机数构成的矩阵根据自动算法确定的阈值，将小于阈值的部分置为0，即空气；大于阈值的部分置为1，即介质图案，从而得到更清晰的自由形状超构单元的形状结构图；

步骤S3：利用模糊滤波器与阈值函数结合，对粗糙的边缘进行平滑处理；

使用高斯模糊滤波器平滑图像，减少图像细节，滤除噪声得到连续、平滑的模糊网格图像。用阈值函数对该模糊图像进行处理，得到最终连续、清晰、平滑且满足C4对称的自由超表面结构。通过使用该自由超表面结构进行波束调控设计，能够使得波束调控器在红外波段的宽带范围内有效控制光波的相位，从而实现消色差功能。同时，该自由形状的超表面结构能够优化超构单元的设计，实现高效的光束调控。

有益效果：

1、本发明公开的一种宽带消色差红外波全介质波束调控器，基于自由形状的超原子全介质超构表面技术，建立精密设计、加工可实现的亚波长超单元设计方法，基于亚波长超单元设计方法得到宽带消色差红外波全介质波束调控器；基于自由结构的超构单元实现；该超构单元由根据算法随机生成的结构库中取得，具有更高的自由度，使得单个超构单元具有更好的波束调控能力。

2、本发明公开的一种宽带消色差红外波全介质波束调控器，利用超构单元结构与所述多种不同形状的超构单元设计的波束调控器，根据对应的关系得出超构透镜中超构单元的布局，得到在红外波段的宽带范围内能够达到51.3％汇聚效率的消色差透镜。

3、本发明公开的一种宽带消色差红外波全介质波束调控器，自由结构的超构单元采用随机算法生成数值范围限定在[0，1]的自由随机矩阵；根据自由随机矩阵的灰度值生成图像，所述图像满足C4对称分布；对满足条件的图像进行去噪处理，生成自由度极高的自由形状超构原子；利用所述超构单元结构布局，设计的波束调控器，可用于红外波段的光束偏折，能够完成宽带偏折，偏折效率可达90％。

附图说明

图1为单元晶胞俯视图。

图2为单元晶胞结构图。

图3为相同结构单元晶胞示意图。

图4为不同结构单元晶胞示意图。

图5对经过模糊滤波器处理后的图像进行二值化处理过程示意图

图6为有色差超表面示意图

图7为消色差超表面示意图。

图8为波束偏折示意图，其中图8(a)为垂直入射的光束初始偏折状态，图8(b)为调控波束偏折角度至90°时光束偏折的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合具体实例，对本发明进一步详细说明。

实施例1

本实施例公开的一种宽带消色差红外波全介质波束调控器，图1为该波束调控器全介质单元晶胞俯视图的设计，图2为超构单元结构图，图3为四个超构单元示意图。在材料选择上，使用全锗基平台，选择高折射率且在红外波段具有低吸收损耗的锗作为超构单元的材料。这不仅可以提高波束调控器的效率，还能减少元件的厚度，从而简化制造过程并降低成本。

本实施例公开的一种宽带消色差红外波全介质波束调控器，基于自由结构的超构原子实现；通过控制超构原子的排布，操纵反射波的波前；所述超构原子采用随机算法生成数值范围限定在[0，1]的自由随机矩阵网格，根据作为其灰度值生成图像，经由该矩阵生成的图形满足C4对称分布，经过二值化处理后得到一个初步的图形，同时为了满足其便于制造的特性，对得到的随机形状进行去噪处理，生成自由度极高的自由形状超构原子。超构原子布局的周期P＝50um，介质柱高H＝70um。

所述超构单元组成结构如图所示，为长宽100mm高度2mm的长方体层。为了计算分析的方便和减小单元间耦合对计算结果的影响，我们将M×M个状态相同的原子组成一个单元，最终超表面由N×N个单元组成。

基于图1的超构单元结构，对消色差超构透镜的设计主要采用以下步骤S1至S2。

步骤S1：对获得的不同形状结构的超构单元其特征尺寸参数进行扫描，得到包含超构单元结构与其对应的相位延迟、相位延迟色散的结构数据库。

步骤S2：确定所设计的波束调控器中每个位置处超构单元结构的布局。基于此结构库，综合考虑调控波段范围和数值孔径，将本发明实施例提供的消色差超透镜的参数设置为直径D＝6.28mm，焦距f＝15mm，设计工作频段为整个红外波段。

超构透镜所需的相位分布如下：

其中，ω是入射单色光的角频率，c是光速，R是超构透镜的半径，是从超构透镜上每个位置到中心的径向距离，f是超构透镜的设计焦距，C₀是一个与位置和波长无关的常数，它提供了所需相位轮廓的总体偏移。

当涉及到宽带消色差超构透镜时，情况变得更加复杂。由于入射光不再是单色的，而是具有一定的带宽，因此不仅要考虑相位延迟，还要考虑带宽内所有频率的相位延迟色散。在追求色差校正的过程中，目的是确保宽频带入射光离开平面透镜时波前的一致性。由式(1)可知，所需相位Φ与ω呈线性关系。对于消色差超构透镜设计，所需相位随色散的分布能够改写为：

式中，ω₀为入射光的最小角频率(ω₀＝ω_min)，Φ₀为其对应相位。相位色散随入射光带宽的增加而增加Δω＝ω-ω₀，在给定带宽下所需的相位色散ΔΦ为：

ΔΦ＝Φ(r，ω_max)-Φ₀(r，ω₀) (3)

由上式可知，在考虑消色差超表面器件时，所需相Φ₀和相色散ΔΦ是两个重要的量。依照相位公式筛选出最符合设计需求的超构单元结构，并将满足该公式的对应不同形状尺寸的超构单元结构布局在对应的(x，y)处，依次类推可得出完整的波束调控器布局，得到在红外波段的宽带范围内能够达到51.3％汇聚效率的消色差透镜

此外，通过引入基于不同几何结构参数的超构单元设计，如不同的高度、半径和周期等，进一步提高了器件对波长的调控灵活性。通过精细调整这些参数，精确控制每个单元在不同波长下的光学响应，从而在更宽的带宽范围内实现高质量的聚焦和波前调控。

实施例2：

本实施例公开的一种宽带消色差红外波全介质波束调控器，基于自由结构的超构单元实现；通过控制超构单元的排布，操纵反射波的波前；自由结构的超构单元采用随机算法生成数值范围限定在[0，1]的自由随机矩阵；根据自由随机矩阵的灰度值生成图像，所述图像满足C4对称分布；对满足条件的图像进行去噪处理，生成自由度极高的自由形状超构原子。

对于波束偏折角度的精确调控，采用以下相位分布公式：

其中Φ代表入射光的相位分布，λ代表工作波长，θ代表光束的偏折角度，沿x轴方向所在距离x处的位置。

确定每个位置x处选取的单元结构，单元结构的尺寸需满足其在参考频率ω₀下的相位值等于Φ₀(r，ω₀)，同时，为了实现宽带消色差效果，该单元结构需要在不同频率ω下实现所需的相位变化ΔΦ(r，ω)＝Φ(r，ω)-Φ₀(r，ω₀)，从而确保每个位置处的超构单元能够对宽带范围内的每个波长实现必要的相位调控。这样的设计使得超构透镜可以在宽带范围内实现每个波长所需的精确相位控制，进而实现消色差效果。

在此基础上，为了保证宽带波段内的偏折角度一致性，需要优化超构单元以实现在不同波长下所需的相位分布，以确保偏折效率和角度的宽带一致性。通过这种方法，超构透镜不仅能实现特定波长下的高效偏折，还能保持在整个工作波段内偏折效率和角度的稳定性。

本发明实施例基于自由形状超构单元设计的波束调控器实现红外波段90％以上的光束偏折效率。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种宽带消色差红外波全介质波束调控器，其特征在于：基于自由结构的超构单元实现；通过控制超构单元的排布，操纵反射波的波前；自由结构的超构单元采用随机算法生成数值范围限定在[0，1]的自由随机矩阵；根据自由随机矩阵的灰度值生成图像，所述图像满足C4对称分布；对满足条件的图像进行去噪处理，生成高自由度的自由形状超构原子。

2.如权利要求1所述一种宽带消色差红外波全介质波束调控器，其特征在于：所述自由结构的超构单元包括四角星型结构、十字形结构、由算法生成的自由随机结构和方环形结构；所述自由结构的超构单元的材料为锗材料。

3.如权利要求1所述一种宽带消色差红外波全介质波束调控器，其特征在于：所述自由结构的超构单元的排布方法为：

对于消色差超构透镜，所需相位随色散的分布为：

式中，ω＝ω₀为入射光的最小角频率(ω₀＝ω_min)，c代表真空中光速的大小，Φ₀为其对应相位；确定每个位置处r选取单元结构，单元结构的尺寸需满足其相位值等于Φ₀，相位色散等于Φ-Φ₀表明，该结构每个位置能够实现宽带范围内每个波长聚焦透镜所需要的相位调控，从而实现消色差超透镜。

4.如权利要求1所述一种宽带消色差红外波全介质波束调控器，其特征在于：所述自由结构的超构单元的排布方法：

对于波束偏折角度的精确调控，采用以下相位分布公式：

其中Φ代表入射光的相位分布，λ代表工作波长，θ代表光束的偏折角度，x代表沿x轴方向所在距离x处的位置；

确定每个位置x处选取的单元结构，单元结构的尺寸需满足其在参考频率ω₀下的相位值等于Φ₀(r,ω₀)，同时，该单元结构能够在不同频率ω下实现所需的相位变化ΔΦ(r,ω)＝Φ(r,ω)-Φ₀(r,ω₀)，从而确保每个位置处的超构单元能够对宽带范围内的每个波长实现相位调控，使得超构透镜能够在宽带范围内实现每个波长所需的精确相位控制，进而实现消色差效果。

5.如权利要求1所述一种宽带消色差红外波全介质波束调控器，其特征在于：自由形状超构单元的设计方法，包括如下步骤，

步骤S1：随机生成范围限定在[0，1]的N×N网格矩阵，其在网格内的排布满足C4对称原则；其中C代表旋转对称，4代表旋转操作能够重复4次，即该自由形状围绕某一中心点旋转90度后，该物体的形状和结构看起来仍与旋转前相同；

步骤S2：利用阈值函数对网格数据进行二值化处理，将生成的[0,1]范围内的随机数构成的矩阵根据自动算法确定的阈值，将小于阈值的部分置为0，即空气；大于阈值的部分置为1，即介质图案，从而得到更清晰的自由形状超构单元的形状结构图；

步骤S3：利用模糊滤波器与阈值函数结合，对粗糙的边缘进行平滑处理；使用高斯模糊滤波器平滑图像，减少图像细节，滤除噪声得到连续、平滑的模糊网格图像。用阈值函数对该模糊图像进行处理，得到连续、清晰、平滑且满足C4对称的自由超表面结构。