一种偏振非依赖型超透镜的制作方法

专利2022-05-10  15



1.本发明属于复合材料超表面技术领域,具体涉及一种偏振非依赖型超透镜。


背景技术:

2.波长色散是光学材料的一个重要特性,在光学元件和系统的设计中一直起着重要的作用,在大多数介质中,像玻璃,折射率随波长的增加而减小,这称为正常色散,利用这种材料,相比于短波长,在较长波长处折射透镜将具有更大的焦距,而棱镜将以更小的角度偏转,这种色差严重降低了全色光学应用的性能,如通信、检测、成像、显示等。目前,有超透镜使用多层结构实现双波长和三波长色差的消除,这一策略虽然取得了成功,但增加了光学系统的重量、复杂性和成本,极大地限制了它们的使用;且这些超透镜都受限于偏振依赖性,只能聚焦圆偏振光。
3.因此,最近的研究主要集中在可见光和近红外的偏振不敏感消色差超透镜的设计上,然而,如何设计一种不受偏振影响的消色差超透镜来消除中红外波段的色差效应仍是一个巨大的挑战。


技术实现要素:

4.本发明的目的是提供一种偏振非依赖型超透镜,以克服上述技术问题。
5.本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的:
6.一种偏振非依赖型超透镜,包括基底层和在基底层上构建超表面阵列的超单元,所述超单元包括单圆柱、环形柱及同心柱;
7.所述偏振非依赖型超透镜通过传播相位和补偿相位相结合的方式控制入射线偏振光的波前和消除色差;
8.其中,利用传播相位作为聚焦相位,入射线偏振光垂直照射超单元,入射波长范围为3.7

4.7μm,通过传播相位的原理选择所述超单元控制入射线偏振光的波前,使在选定的中心波长处进行聚焦;
9.其中,通过所述超单元中三种不同类型结构获得需要的不同补偿相位值,保证在选取的入射波长范围内,补偿相位与入射波长的倒数呈线性关系,以消除在中心波长外的入射波长处的色差效应。
10.进一步地,所述单圆柱、环形柱及同心柱均为si纳米结构,且所述单圆柱、环形柱及同心柱的高度h为4.5μm。
11.进一步地,所述基底层的材质采用caf2。
12.进一步地,所述超单元中的所述单圆柱、环形柱及同心柱的外直径保持一致。
13.进一步地,所述偏振非依赖型超透镜的相位分布的公式φ(x,λ)=(2πλ)ne
ff
h,其中,n
eff
表示纳米结构的有效折射率,h表示超单元中各结构的高度。
14.进一步地,所述构建超表面阵列的超单元之间的距离为1.8μm。
15.有益效果:
16.本发明所设计的超表面实现的消色差是连续带宽范围内的,除了可以单独用超表面实现消色差,还可与传统光学器件相结合,从而提高超表面消色差器件的性能和尺寸,扩展应用范围;
17.本发明中采取的入射线偏振光垂直照射超表面结构,根据所选择的入射中心波长,对介质柱进行结构参数扫描和优化,通过改变圆柱硅的尺寸能得到所需的补偿相位,并且实现高透过率,保证结构选择与传播相位相结合的方法能控制入射光的波前和消除色差;
18.本发明中的基于介质超表面的偏振非依赖宽带消色差器件,另一方面是实现了连续带宽范围内的消色差,较以往器件而言,大大减小了体积与成本。
附图说明
19.图1为本发明的结构示意图;
20.图2为本发明的色散示意图;
21.图3为本发明的相位分布图;
22.图4和图5为本发明中三种原型结构的物理分析;
23.图6为本发明中偏振不敏感baml的相位分布图;
24.图中:1、基底层;2、单圆柱;3、环形柱;4、同心柱。
具体实施方式
25.在本发明的描述中,除非另有说明,术语“上”“下”“左”“右”“前”“后”等指示的方位或位置关系仅是为了描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或结构必须具有特定的方位,因此不能理解为对本发明的限制。此外,术语“第一”“第二”等仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性。
26.如图1所示,本发明所述的一种偏振非依赖型超透镜包括基底层和在基底层上构建超表面阵列的超单元,其中,所述超单元包括单圆柱、环形柱及同心柱,所述基底层的材质采用caf2,所述单圆柱、环形柱及同心柱均为si纳米结构,且所述单圆柱、环形柱及同心柱的高度h为4.5μm,所述超单元中的所述单圆柱、环形柱及同心柱的外直径保持一致,所述构建超表面阵列的超单元之间的距离为1.8μm。
27.所述偏振非依赖型超透镜通过传播相位和补偿相位相结合的方式控制入射线偏振光的波前和消除色差,首先,利用传播相位作为聚焦相位,入射线偏振光垂直照射超单元,入射波长范围为3.7

4.7μm,通过传播相位的原理选择所述超单元控制入射线偏振光的波前,使在选定的中心波长处进行聚焦;其次,通过所述超单元中三种不同类型结构获得需要的不同补偿相位值,保证在选取的入射波长范围内,补偿相位与入射波长的倒数呈线性关系,以消除在中心波长外的入射波长处的色差效应;进一步地,所述偏振非依赖型超透镜的相位分布的公式φ(x,λ)=(2πλ)ne
ff
h,其中,n
eff
表示纳米结构的有效折射率,与纳米结构的半径密切相关,h表示超单元中各结构的高度。
28.原理说明:
29.首先,如图3所示,从目前来说要实现宽带消色差超透镜,其相位分布的公式为:
30.31.其中,
32.其中,式(1)和(2)中λ0是限定的中心波长,本实施例中即λ0选定为4.2μm,因此宽带消色差超透镜只有当和同时被满足时才能实现;第一项是在参考波长λ0处的无色散相位,即如图2所示;第二项是工作波长的函数,与1/λ线性相关,称为补偿相位。
33.简而言之,根据和两个相位设计沿着x轴摆放的宽带消色差超透镜的超单元,然此法仅对具有偏振依赖性的超透镜是可行的,限制了消色差超表面器件的发展。
34.为此,在本实施例中超单元使用了新的纳米结构以此实现偏振不敏感的宽带消色差超透镜,具体为:采用在氟化钙(caf2)基板上放置硅(si)纳米结构的介质超表面平台,每个si纳米结构的高度为h=4.5μm;其中,选择caf2作为基底是因其在设计波长下具有低折射率(n=1.4)和低吸收损耗的特性;对于设计的结构,给定空间坐标x处的相位为φ(x,λ)=(2πλ)n
eff
h,其中n
eff
表示纳米结构的有效折射率,与纳米结构的半径密切相关;在上述中,超单元的子类由三种原型形状构成,即单圆柱、环形柱及同心柱,每种原型的平面几何参数都是可变的,且每个超单元之间的距离为p=1.8μm,在本实施例中,可通过改变每种原型的相关半径来控制它们的光学响应,由于各结构的对称性,保证了消色差超透镜是偏振不敏感的。
35.其中,单圆柱可为每个相位值提供了最大的补偿相位,因其与具有相同外半径的其他两个原型相比,具有最高的有效折射率;然单圆柱只使每个相位得到单个补偿相位值,即仅通过单圆柱很难找到同时满足和的消色差超透镜的所有超单元;而与单圆柱相比,环形柱和同心柱都有相对较低的有效折射率从而能实现更多的补偿相位;因此,本技术中同时选择上述三种原型来设计超透镜。
36.进一步,对三个超单元在x(彩色点)和y(黑点)偏振光入射下的光学特性进行了计算,计算如图4所示,从中可以看出,对x偏振光和y偏振光入射的光学响应是完全一致的;且图4证明了相位和频率(1/λ)在设计波长范围之间的线性关系。
37.更进一步地分析三种原型的偏振不敏感性,对三种原型中电场的近场分布进行了计算,结果如图5所示,选定的波长为4.3μm,3.9μm和4.0μm,如图4中的虚线所示,分别对应于三个原型,顶部和底部图分别为俯视图和侧视图,上述的x和y偏振入射的这些相同的近场结果表明,所选原型是偏振不敏感的。
38.如此,在本实施例中,提出的超透镜直径为77.4μm,焦距为f=25μm(na≈0.84),图6分别绘制了相位与空间位置的函数和补偿相位这两个关键量,每个超单元的设计波长为4.2μm;结果表明,选定超单元实现的相位和补偿相位与所需值有良好的一致性。
39.综上所述,基于传播相位补偿色散累积相位的原理,选取三种不同原型结构,在3.7

4.7μm带宽内实现了消色差超透镜,这三种原型结构实现的补偿相位范围不同,其中圆柱实现的补偿相最大,同轴最小,由等效介质理论也能推导出该结论,由于采用的单元结构都是中心对称结构,几何相位已不能使用,聚焦相位由中心波长4.2μm处的传播相位来满足,此为实现偏振非依赖消色差超表面的关键,通过与色差透镜的对比,可明显看到消色差
超透镜能很好地抑制色差效应。
40.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加简洁明了,本发明用以上具体实施例进行说明,仅仅用于描述本发明,不能理解为对本发明的范围的限制。应当指出的是,凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。因此,本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
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