一種采用超構表面實現(xiàn)平面波聚焦的平板透鏡的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于光學成像領域，設及一種應用于集成光學中新型超材料平板透鏡。
【背景技術】
[0002] 傳統(tǒng)光學透鏡一般由光學玻璃制作，經(jīng)過粗磨、精磨和拋光=大工序完成。目前 較常見且生產(chǎn)工藝較為成熟的透鏡一般為球面鏡，但由于其自身的球差而無法直接獲得 良好的聚焦成像效果，往往要在后端引入球差校正系統(tǒng)。其次，傳統(tǒng)光學透鏡的厚度遠遠 大于光波波長，隨透鏡直徑的增加，對于采取傳統(tǒng)光學材料進行加工成型的難度呈指數(shù) 增長，很難滿足光學參數(shù)的設計要求，且體積和重量也隨之增大，導致機械支撐結構復雜繁 重，該些因素極大限制了大口徑乃至超大口徑光學相機的研制與空間應用。另外，傳統(tǒng)光 學透鏡的靈活性很差，如果需要改變焦距，只能依靠透鏡形狀的改變，使得其可移植性很 差。
[0003] 雖然非球面鏡的設計與加工日臻成熟，但其對面形精度的超高要求，使得其加工 成本高，檢測與裝調(diào)相當困難。
[0004] 在科學技術迅猛發(fā)展的形勢下，對透鏡的功能要求也越來越多，例如反常折射、 超高分辨率等，該些是傳統(tǒng)透鏡無法滿足的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是，采用超構表面設計平板透鏡，尤其是實現(xiàn)對波長為1550nm的平 面波實現(xiàn)幾乎完美的聚焦成像，解決了【背景技術】中傳統(tǒng)透鏡的加工難、像質(zhì)差等問題。本 發(fā)明所設及的設計方法具有較高的靈活性，可W提供各種線型的相位補償獲得不同的聚 焦效果，并且可W利用光刻加工技術進行大批量復制和生產(chǎn)。
[0006] 本發(fā)明包括如下技術方案；采用超構表面實現(xiàn)平面波完美聚焦的平板透鏡，通過 對8種（組）V字型聚焦結構在平面的圓的徑向進行周期排列，每組V字型聚焦結構的圓環(huán) 上均勻排列，在圓的徑向從內(nèi)至外周期排列的8組V字型聚焦結構的相位（延遲）分別為 0、JT/4、31 /2、3 31 /4、31、5 31 /4、3 31 /2 和 7 31 /4,線性間隔 31 /4 ;
[0007] 根據(jù)平面波聚焦的相位分布公式：=2巧V廠2+/2 ' 乂
[000引其中f為焦距，A為光波波長，r為距離平面透鏡中屯、的距離；根據(jù)完美聚焦的相 位分布，計算出在徑向V字形結構的排列方式，然后通過確定相應每種聚焦結構所在的位 置r，計算出相應的圓周長L= 2 31r。由于每個V字形結構的邊長為a(5.Sum)，即可得到在 該圓環(huán)上需要刻蝕的結構數(shù)n=L/a。當偏振為Y方向平面波由Z軸入射到銀膜上的V字 型結構，會激發(fā)出偏振為X方向的光波，而其振幅和相位則由V字形孔洞的形狀來決定。
[0009] 通過類似方法，W此計算出每個圓環(huán)上的每種結構分布。當一束Y偏振的平面波 垂直入射到該平板透鏡上，在平板透鏡后端加上X方向的偏振片，即可在設計指定的焦距 位置獲得聚焦光斑（圖3)。
[0010] 針對1550nm平面波實現(xiàn)完美聚焦。每組V字型聚焦結構的圓環(huán)上均勻排列；在圓 的徑向從內(nèi)至外周期排列的8組V字型聚焦結構的相位分別為0、31/4、3i/2、33i/4、31、 5 31 /4、3 31 /2和7 31 /4,線性間隔31 /4 ;8組V字型聚焦結構的尺寸分別為510皿X80皿、 4]0nmX80nm、]90nmX80nm、]20nmX80nm、510nmX80nm、4]0nmX80nm、]90nmX80nm、 320nmX80nm。
[0011] Y偏振平面波入射到其表面時，激發(fā)X偏振光，實現(xiàn)相位轉變，對波前進行調(diào)制實 現(xiàn)聚焦功能。并WX偏振片對X偏振光濾光。
[0012] 首先在二氧化娃基片上瓣射50nm厚度的銀膜，然后利用FIB(聚焦離子束刻蝕） 在銀膜上刻蝕設計的V字型孔洞陣列。當一束偏振為Y方向的平面波由Z軸入射到銀膜上 的V字型孔洞，由于激發(fā)了V字型孔洞局域共振，會產(chǎn)生偏振為X方向的光波，而其振幅 和相位則由V字形孔洞的形狀來決定（見圖1對應8種相位延遲）。本發(fā)明共設計了 8種 不同形狀的V字型孔洞，使得相位由0到360度等間距變化，并且保持X偏振的振幅均 在0. 55附近。根據(jù)仿真設計結果，每個V字型孔洞所占區(qū)域為0. 55um*0. 55um，8種V字型 孔洞的尺寸分別為SlOnmX80nm、430nmX80nm、390nmX80nm、320nmX80nm、510nmX80nm、 430nmX80nm、390nmX80nm、320nmX80nm如圖 2 所示。
[0013] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比的有益效果是：
[0014] (1)隨著光電技術的發(fā)展，對光學透鏡的要求越來越高。本發(fā)明在實現(xiàn)幾乎完美 聚焦的同時，可W大大縮小透鏡的體積，對光學集成等提供極大便利。
[0015] (2)本發(fā)明使用FIB在銀膜上刻蝕微納結構來制備平板透鏡，加工精度高并且具 有較好的可控性。
[0016] (3)本發(fā)明使用V字型孔洞來控制光波波前。使用該種方法，可W構造任意波前 的相位分布，具有很大的靈活性。
【附圖說明】
[0017] 圖la-h對應為本發(fā)明8種不同相位的V字型孔洞示意圖。
[0018] 圖2為本發(fā)明Y偏振入射光通過V字型結構對激發(fā)X偏振光的示意圖。
[0019] 圖3為本發(fā)明平板透鏡聚焦成像示意圖。
[0020] 圖4為本發(fā)明平板透鏡8種不同相位的V字型孔洞分布的最小單元且為最中屯、的 單元示意圖。
【具體實施方式】
[0021] 首先通過理論模擬來獲得不同相位的V字型結構參數(shù)。對于平板透鏡而言，其空 間分辨率越高越好，因此需要將單個V字型結構所占的區(qū)域調(diào)節(jié)的越小越好。通過調(diào)節(jié)V 字型結構的張角、長寬度，來調(diào)節(jié)垂直偏振光的相位W及轉化效率等。圖4為本發(fā)明平板 透鏡8種不同相位的V字型孔洞分布的最小單元示意圖。
[0022] 本發(fā)明中，針對入射平面波波長為1550nm，設計8種V字形結構單元為正方形（見 圖1)，邊長為550皿，大約為波長的S分之一，因此具有較好的空間分辨率。通過調(diào)整V字 形結構的張角W及長度，使得當一束Y偏振平面波入射到其表面時，激發(fā)的X偏振光的相位 分別為0、n/4、3t/2、3 3t/4、3T、5 3T/4、3 3T/2和7 3T/4，通過適當調(diào)整結構，使得激發(fā)X偏 振的幅值保持在0. 55左右，根據(jù)設計方法得到8種V字形結構的尺寸分別為510nmX80nm、 4]0nmX80nm、]90nmX80nm、]20nmX80nm、510nmX80nm、4]0nmX80nm、]90nmX80nm、 320皿X80皿。按照理想的完美聚焦需要拋物線型的相位分布對8種V字形結構進行排列， 在50nm銀膜上利用FIB刻蝕出對應的結構，即得到平板透鏡。本發(fā)明設計的為圓形平板透 鏡，因此具有旋轉對稱性。根據(jù)完美聚焦的相位分布，計算出在徑向V字形結構的排列方 式，然后通過確定每個結構所在的位置r，計算出相應的圓周長L= 2沖i*r。由于每個V字 形結構的邊長為a巧.5um)，即可得到在該圓環(huán)上需要刻蝕的結構數(shù)n=L/a。通過類似方 法，W此計算出每個環(huán)上的結構分布，最終實現(xiàn)能夠完美聚焦的平板透鏡。
[0023] 本發(fā)明說明書中未作詳細描述的內(nèi)容屬本領域技術人員的公知技術。
【主權項】
1. 一種采用超構表面實現(xiàn)平面波聚焦的平板透鏡，其特征在于采用超構表面實現(xiàn)平面 波完美聚焦的平板透鏡，通過對8種V字型聚焦結構在平面的圓的徑向進行周期排列，每組 V字型聚焦結構的圓環(huán)上均勻排列，在圓的徑向從內(nèi)至外周期排列的8組V字型聚焦結構的 相位延遲分別為 0、/4、JT/2、3JT/4、JT、5JT/4、3JT/2 和 7JT/4,線性間隔JT/4 ;其中f?為焦距，A為光波波長，r為距離平面透鏡中心的距離；根據(jù)完美聚焦的相位分 布，計算出在徑向V字形結構的排列方式，然后通過確定相應每種聚焦結構所在的位置r， 計算出相應的圓周長L= 2r;由于每個V字形結構的邊長為a= 5. 5um，即得到在該圓環(huán) 上需要刻蝕的結構數(shù)n=L/a;當偏振為Y方向平面波由Z軸入射到銀膜上的V字型結構， 會激發(fā)出偏振為X方向的光波，而其振幅和相位則由V字形孔洞的形狀來決定。2. 根據(jù)權利要求1所述的采用超構表面實現(xiàn)平面波聚焦的平板透鏡，其特征在于計算 出每個圓環(huán)上的每種V字型結構分布；當一束Y偏振的平面波垂直入射到該平板透鏡上，在 平板透鏡后端加上X方向的偏振片，即在設計指定的焦距位置獲得聚焦光斑。3. 根據(jù)權利要求1所述的采用超構表面實現(xiàn)平面波聚焦的平板透鏡，其特征在于針 對1550nm平面波實現(xiàn)聚焦，每組V字型聚焦結構的圓環(huán)上均勻排列；在圓的徑向從內(nèi)至 外周期排列的8組V字型聚焦結構的相位分別為0、jt/4、3t/2、3jt/4、3t、53t/4、33t/2 和7 31/4，線性間隔31/4;8組￥字型聚焦結構的尺寸分別為51〇11111\8〇11111、43〇11111\8〇11111、 390nmX80nm、320nmX80nm、5IOnmX80nm、430nmX80nm、390nmX80nm、320nmX80nm。4. 根據(jù)權利要求I所述的采用超構表面實現(xiàn)平面波聚焦的平板透鏡，其特征在于Y偏 振平面波入射到其表面時，激發(fā)X偏振光，實現(xiàn)相位轉變，對波前進行調(diào)制實現(xiàn)聚焦功能。 并以X偏振片對X偏振光濾光。5. 根據(jù)權利要求1-4所述的采用超構表面實現(xiàn)平面波聚焦的平板透鏡的制備方法，其 特征在于首先在二氧化硅基片上濺射40-100nm厚度的銀膜，然后利用聚焦離子束刻蝕方 法在銀膜上刻蝕所述的8種不同V字型孔洞陣列構成相應的8組V字型聚焦結構；8種不 同形狀的V字型孔洞，使得聚焦結構的相位由0到360度等間距變化，并且保持X偏振的 振幅均在0. 55附近。
【專利摘要】采用超構表面實現(xiàn)平面波聚焦的平板透鏡，采用超構表面實現(xiàn)平面波完美聚焦的平板透鏡，通過對8種V字型聚焦結構在平面的圓的徑向進行周期排列，每組V字型聚焦結構的圓環(huán)上均勻排列，在圓的徑向從內(nèi)至外周期排列的8組V字型聚焦結構的相位分別為0、π/4、π/2、3π/4、π、5π/4、3π/2和7π/4，線性間隔π/4；根據(jù)完美聚焦的相位分布，計算出在徑向V字形結構的排列方式，然后通過確定相應每種聚焦結構所在的位置r，即得到在該圓環(huán)上需要刻蝕的結構數(shù)n＝L/a；設計不同的微結構組獲得不同焦距的平板透鏡。由于本發(fā)明只需在50nm銀膜上刻蝕孔洞,因此平板透鏡的厚度做到很薄,有望在光學集成領域中獲得應用。
【IPC分類】G02B3/00
【公開號】CN104965243
【申請?zhí)枴緾N201510333216
【發(fā)明人】王漱明, 孫倩, 王強, 仲帆, 張昊, 王保華, 吳立民, 劉輝, 阮寧娟, 祝世寧
【申請人】南京大學
【公開日】2015年10月7日
【申請日】2015年6月16日