一種基于金屬微納結(jié)構天線陣列的反射式離軸透鏡的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及應用光學領域，尤其涉及一種基于金屬微納結(jié)構天線陣列構造的反射 式離軸透鏡。
【背景技術】
[0002] 反射式離軸光學系統(tǒng)具有口徑大、輕量化、無中心遮攔等突出優(yōu)點，常常用于實現(xiàn) 高精度的空地觀測系統(tǒng)和高倍率的激光擴束天線系統(tǒng)。但傳統(tǒng)離軸透鏡存在兩個問題： 1、受加工能力限制，其透鏡面型一般只能設計成對稱結(jié)構，通過旋轉(zhuǎn)透鏡的位置來實現(xiàn)離 軸，這造成裝校和使用都非常不便；2、為了消除離軸像差，往往具有非球面面型甚至高次曲 面面型；這種復雜的面型結(jié)構，目前無論是加工和檢測都面臨很大的困難和挑戰(zhàn)，因此限 制了離軸系統(tǒng)廣泛的應用。目前，基于平面結(jié)構的衍射光學元件（^Diffractive Optical Elements)具有逐點的位相調(diào)節(jié)功能，有望替代傳統(tǒng)材料實現(xiàn)的離軸透鏡。但衍射光學元件 也有兩個突出的問題：1、衍射光學元件是通過浮雕表面的起伏大小來調(diào)節(jié)位相，因此如果 要實現(xiàn)較大的離軸量，衍射光學元件的表面起伏將變得劇烈，因此需要很高的像元分辨率 來保證像質(zhì)，這提升了對器件工藝分辨率的要求和制造成本；2、如果要實現(xiàn)較高的系統(tǒng)透 過率，需要更多的臺階數(shù)來逐點細化位相，這同樣面臨工藝復雜性和制造成本。離軸透鏡在 應用光學領域有著巨大的應用前景，但傳統(tǒng)材料透鏡和衍射光學元件透鏡存在上述顯著缺 點，因此業(yè)類亟待新技術的更新和革命。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 針對現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明的目的是按照金屬天線位相調(diào)制原理和離軸功能要 求設計金屬天線陣列的排布方式，可實現(xiàn)將平行入射激光反射后匯聚在任意指定的方向 上。為達到上述目的，本發(fā)明采用如下的技術方案：
[0004] 一種基于金屬微納結(jié)構天線陣列的反射式離軸透鏡，所述離軸透鏡包括有四層結(jié) 構，由下至上依次為襯底層、反射層、光學薄膜匹配層、金屬微納結(jié)構天線層；所述的金屬微 納結(jié)構天線層包括由多個金屬微納結(jié)構天線構成的陣列；在金屬微納結(jié)構天線層上建立 X〇y坐標系，位于坐標（Xi，7i)處金屬微納結(jié)構天線的長邊方向代表長軸，短邊方向代表短 軸，長軸與X軸的夾角0 (Xi，yi)用于調(diào)節(jié)該點的位相，且滿足：
[0006]其中，入為工作波長，離軸透鏡聚焦點的坐標為（Xm zj，其由離軸透鏡使用要 求指定。
[0007] 所述金屬微納結(jié)構天線層中的金屬微納結(jié)構天線為長方體結(jié)構，長寬高均為亞波 長尺寸；且每一個金屬微納結(jié)構天線的朝向均不同，通過排布金屬微納結(jié)構天線，可以將平 行入射的激光反射匯聚在與入射光束同側(cè)的任意方向上。
[0008] 入射光必須為圓偏振光，且垂直照射在天線陣列表面。
[0009] 所述反射層和金屬微納結(jié)構天線的材料為金；所述光學薄膜匹配層的材料為氟化 鎂。
[0010] 金屬微納結(jié)構天線可采用標準光刻工藝制造：1)沉積金屬天線材料薄膜層；2)涂 鍍光刻膠；3)電子束直寫或者光刻機曝光；4)顯影；5)離子刻蝕。
[0011] 其它膜層（反射層、匹配層）可采用標準鍍膜工藝制造，如蒸鍍、離子濺射、電子束 等。
[0012] 金屬微納結(jié)構天線位相調(diào)節(jié)原理為，金屬微納結(jié)構天線工作時可等效為半波片。 以瓊斯矩陣計算，入射的左/右旋圓偏光的瓊斯矢量分別為
，已知半波片的瓊斯矩陣 為
?其中0為半波片快軸與X方向的夾角，則經(jīng)過金屬天線出射后的光 矢量為
[0013]
[0014] 從公式（2)可以看出，出射光經(jīng)過金屬微納結(jié)構天線后旋向反轉(zhuǎn)，同時經(jīng)歷了 2 0 的位相延遲。因此僅需通過調(diào)整0的大小（也就是金屬微納結(jié)構天線在xoy坐標平面內(nèi) 的旋轉(zhuǎn)角度），就可以調(diào)節(jié)和控制出射光的位相。對網(wǎng)格化離軸透鏡每一個格點處的金屬微 納結(jié)構天線進行排列以滿足相應的位相延遲的要求就可以實現(xiàn)任意方向的聚焦功能。
[0015] 本發(fā)明所涉及的金屬微納結(jié)構天線離軸透鏡與傳統(tǒng)反射式透鏡、以及衍射光學元 件相比，具有以下優(yōu)點和積極的效果：
[0016] 1、金屬微納結(jié)構天線離軸透鏡是純平面結(jié)構，易于對準和裝校；
[0017] 2、金屬微納結(jié)構天線對位相排布方式不敏感，即實現(xiàn)任意位相分布也只需
[0018] -次光刻工藝、即無需增加工藝復雜程度，這一點和傳統(tǒng)透鏡和傳統(tǒng)衍射光
[0019] 學元件是迥然不同的；
[0020] 3.通過材料的優(yōu)選以及結(jié)構的優(yōu)化，使得單個金屬微納結(jié)構天線對入射光波
[0021] 的位相調(diào)制作用達到最佳狀態(tài)。
【附圖說明】
[0022] 圖1是本發(fā)明中離軸透鏡各層結(jié)構示意圖。
[0023] 圖2是本發(fā)明中離軸透鏡軸外聚焦示意圖。
[0024]圖3是本發(fā)明中實施例給出的金屬微納結(jié)構陣列離軸透鏡的三維結(jié)構示意圖。
[0025] 圖中，1-金屬微納結(jié)構天線；2-氟化鎂匹配層；3-金反射層；4-基底娃。
【具體實施方式】
[0026] 下面以具體實施例結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明。
[0027] 如圖1所示，離軸透鏡包含若干不同朝向排布的金屬微納結(jié)構天線陣列。其工 作模式為反射式，有四層結(jié)構，從下至上：第一層為襯底層（基底硅4)，第二層為反射膜層 (金反射層3)，第三層為薄膜匹配層（氟化鎂匹配層2)，第四層為金屬天線層（金屬微納結(jié) 構天線1)，其各層結(jié)構如圖1所示。金屬微納結(jié)構天線陣列離軸透鏡，基底材料為硅，其位 相調(diào)制和襯底材料為金，匹配層材料為氟化鎂。
[0028] 實施例
[0029] 本實施例為利用介質(zhì)金屬微納結(jié)構陣列構造反射式離軸透鏡的實施過程。
[0030] 如圖2所示，在透鏡工作面上建立坐標系，選取工作波長A = 830nm，透鏡口徑D =10mm，焦點F。位置為（4mm, 5mm, 10mm)，透鏡焦距計算為
[0031] 首先，采用現(xiàn)有的Comsol電磁仿真軟件，針對A= 830nm開展微納天線的結(jié)構優(yōu) 化工作，使得其電磁響應達到最優(yōu)狀態(tài)：即位相調(diào)制作用和能量利用效率組合最優(yōu)化。本 實施例中，優(yōu)化后的金屬微納結(jié)構天線長L = 200nm，寬W = 80nm，厚H = 30nm，周期C = 300nm，匹配層氟化鎂的厚度為90~llOnm，反射層金的厚度為130nm〇
[0032] 第二步，由于透鏡口徑為D = 10mm，單個天線的周期為C = 300nm，因此對離軸透 鏡的工作面使用33333*33333 (D/C ~ 33333)的矩陣進行網(wǎng)格化，每一個格點處設計放置一 個特定朝向的金屬微納結(jié)構天線；
[0033] 第三步，根據(jù)離軸透鏡的工作波長A和離軸后的焦點位置（X(l， yci，Z(l)以及公式 (1)計算離軸透鏡任意一個格點處單個金屬微納結(jié)構所需的轉(zhuǎn)角0 (Xi^i)，從而 設計出整個工作面上金屬微納結(jié)構天線的排布。比如，依據(jù)公式（1)計算（lmm, 3mm)處微 納天線的轉(zhuǎn)角為174.3°，而（-1mm，-3mm)處微納天線的轉(zhuǎn)角為16.3°等。
[0034] 獲得金屬微納結(jié)構天線的角度排布和單個金屬微納結(jié)構天線的結(jié)構參數(shù)后，離軸 透鏡的具體結(jié)構就已經(jīng)完全確定。由于本實施例的微納結(jié)構天線的數(shù)量過于龐大，圖3給 出部分離軸透鏡排布的示意圖。
[0035] 第三步，采用前面所述的工藝制造金屬微納結(jié)構陣列離軸透鏡。
[0036] 第四步，采用A = 830nm的準直激光光源，配合起偏器和四分之一玻片，即可實驗 驗證金屬微納結(jié)構陣列離軸透鏡的離軸聚焦功能。其具體做法為：準直激光光源發(fā)出一束 激光通過起偏器變?yōu)榫€偏振光，線偏振光透過四分之一玻片轉(zhuǎn)換成圓偏振光，圓偏振光再 垂直照射離軸透鏡，在位置處實現(xiàn)離軸聚焦功能。
[0037] 該離軸透鏡設計靈活，任意改變離軸透鏡的設計波長A值和焦點位置（X(l，y(l，Zq) 值，即可實現(xiàn)任意工作波長、任意焦點離軸聚焦的反射式離軸透鏡。
[0038] 上述實施例用來解釋說明本發(fā)明，而不是對本發(fā)明進行限制，在本發(fā)明的精神和 權利要求的保護范圍內(nèi)，對本發(fā)明做出任何的修改和改變，都落入本發(fā)明的保護范圍。
【主權項】
1. 一種基于金屬微納結(jié)構天線陣列的反射式離軸透鏡，其特征在于：所述離軸透鏡包 括有四層結(jié)構，由下至上依次為襯底層、反射層、光學薄膜匹配層、金屬微納結(jié)構天線層；所 述的金屬微納結(jié)構天線層包括由多個金屬微納結(jié)構天線構成的陣列；在金屬微納結(jié)構天線 層上建立xoy坐標系，位于坐標（Xi，yi)處金屬微納結(jié)構天線的長邊方向代表長軸，短邊方 向代表短軸，長軸與X軸的夾角0 (Xi，yi)用于調(diào)節(jié)該點的位相，且滿足：其中，A為工作波長，離軸透鏡聚焦點的坐標為（x"，y。，Z。），其由離軸透鏡使用要求指 定。2. 根據(jù)權利要求1所述的一種基于金屬微納結(jié)構天線陣列的反射式離軸透鏡，其特征 在于；所述金屬微納結(jié)構天線層中的金屬微納結(jié)構天線為長方體結(jié)構，長寬高均為亞波長 尺寸。3. 根據(jù)權利要求1所述的一種基于金屬微納結(jié)構天線陣列的反射式離軸透鏡，其特 征在于：所述反射層和金屬微納結(jié)構天線的材料為金；所述光學薄膜匹配層的材料為氣化 儀。
【專利摘要】本發(fā)明提供一種基于金屬微納結(jié)構天線陣列的反射式離軸透鏡，包括襯底層、反射層、光學薄膜匹配層和金屬微納結(jié)構天線層。每一個金屬微納結(jié)構天線的朝向均不同，通過特定排布，可實現(xiàn)將平行入射的激光反射匯聚在與入射光束同側(cè)的任意方向上，可應用于激光離軸光學系統(tǒng)中。由金屬微納結(jié)構天線陣列構造的反射式離軸透鏡，不僅可連續(xù)調(diào)制入射光的位相，且僅需簡單的一次光刻工藝步驟即可制造完成，因此具有設計靈活、加工簡單、結(jié)構緊湊等突出優(yōu)點。
【IPC分類】G02B3/00
【公開號】CN104932043
【申請?zhí)枴緾N201510385971
【發(fā)明人】劉國根, 鄭國興, 何平安, 李子樂, 李松, 高俊玲, 楊晉陵, 張霜
【申請人】武漢大學
【公開日】2015年9月23日
【申請日】2015年6月30日