[發明專利]一種長波紅外寬帶消色差超表面透鏡

有效

• 申請號: 202011448569.6
• 申請日: 2020-12-09
• 公開（公告）號: CN112505808B
• 公開（公告）日: 2021-10-08
• 發明（設計）人: 易飛;鄔灝;侯銘銘
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G02B3/00
• 分類號: G02B3/00;G02B1/00
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 李智

1.一種長波紅外寬帶消色差超表面透鏡，其特征在于，

所述超表面透鏡中的超表面透鏡單元按照四方晶格的形式周期性排列；所述超表面透鏡單元由電介質襯底和位于所述電介質襯底中心的微結構組成，且所述微結構在所述電介質襯底上的投影圖案是關于90°角旋轉對稱的圖形；

不同位置的微結構所引入的相位和相位色散滿足如下公式所示的條件：

其中，r為所述微結構中心與所述超表面透鏡中心的距離，ω為工作波長對應的角頻率，R為所述超表面透鏡的半徑，f為所述超表面透鏡的焦距，c表示光速；ω₁和ω₂分別表示目標波段的最小波長和最大波長所對應的角頻率，所述目標波段位于長波紅外波段；

不同位置的微結構選取方式為：

按照所述公式(1)和所述公式(2)計算相位及對應相位色散，記為理論參數組合；

對于不同特征尺寸的微結構，通過帶加權的一階線性擬合得到各微結構所在超表面透鏡單元的相位關于角頻率的變化曲線，并從中提取各微結構所在超表面透鏡單元的相位及對應的相位色散，記為實際參數組合；

在同一幅圖中繪制所有的理論參數組合和實際參數組合，得到以相位為橫坐標、以相位色散為縱坐標的散點圖，選取所述散點圖中與理論參數組合最接近的實際參數組合所對應的微結構作為所述超表面透鏡中相應位置處的微結構。

2.如權利要求1所述的長波紅外寬帶消色差超表面透鏡，其特征在于，選取所述散點圖中與理論參數組合最接近的實際參數組合所對應的微結構作為所述超表面透鏡中相應位置處的微結構時，選取具有更高的擬合優度值或者相位關于角頻率的二階導數更低的微結構。

3.如權利要求1所述的長波紅外寬帶消色差超表面透鏡，其特征在于，通過帶加權的一階線性擬合得到微結構所在超表面透鏡單元的相位關于角頻率的變化曲線，并從中提取微結構所在超表面透鏡單元的相位及對應的相位色散，其方式包括：

通過仿真得到不同工作波長所對應的角頻率下，微結構所在超表面透鏡單元所引入的相位，從而得到微結構所在超表面透鏡單元的相位關于角頻率的散點分布，以相位為因變量，以角頻率為自變量，以各頻率下微結構所在超表面透鏡單元的透過率為權重，進行帶加權的一階線性擬合，得到微結構所在超表面透鏡單元的相位關于角頻率的變化曲線；

僅保留透過率高于預設的第一閾值的超表面透鏡單元，對于所保留的超表面透鏡單元，將其相位關于角頻率的變化曲線中，所述目標波段最大波長對應的角頻率處的相位取值作為微結構所在超表面透鏡單元的相位；將所述變化曲線中，所述目標波段最大波長和最小波長對應的角頻率處的相位取值之差，作為微結構所在超表面透鏡單元的相位色散，從而得到微結構所在超表面透鏡單元的相位及對應的相位色散。

4.如權利要求1-3任一項所述的長波紅外寬帶消色差超表面透鏡，其特征在于，所述超表面透鏡被不同半徑的同心圓劃分為一個圓形區域，以及一個或多個圓環區域，同一個區域內的微結構單元相同。

5.如權利要求1-3任一項所述的長波紅外寬帶消色差超表面透鏡，其特征在于，所述超表面透鏡單元中，微結構在電介質襯底上的投影圖案為圓形、圓環、同心的圓環內嵌套圓形、正方形、方框、或者同心的方框內嵌套正方形。

6.如權利要求1-3任一項所述的長波紅外寬帶消色差超表面透鏡，其特征在于，所述目標波段為8μm-12μm。

7.如權利要求6所述的長波紅外寬帶消色差超表面透鏡，其特征在于，所有微結構單元中的微結構高度相同，且高度為2μm-12μm；所述微結構單元的周期為2μm-8μm。

8.如權利要求7所述的長波紅外寬帶消色差超表面透鏡，其特征在于，微結構高度為5μm-7μm，且所述微結構單元的周期為4μm-6μm；

或者，微結構高度為7.5μm-12μm，且所述微結構單元的周期為2.5μm-4μm。

9.如權利要求1-3任一項所述的長波紅外寬帶消色差超表面透鏡，其特征在于，所述微結構的材料的透過率在所述目標波段內高于預設的第二閾值。