[發(fā)明專利]基于三維立體微結(jié)構(gòu)的反射式超透鏡及其制備方法

有效

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• 申請日: 2021-02-09
• 公開（公告）號: CN112965155B
• 公開（公告）日: 2022-04-08
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王牧;熊翔;彭茹雯;王政翰;高雅君
• 申請（專利權(quán)）人: 南京大學(xué)
• 主分類號: G02B5/12
• 分類號: G02B5/12;G02B27/00;G02B5/30
• 代理公司: 江蘇斐多律師事務(wù)所 32332
• 代理人: 向妮

本發(fā)明在三維立體人工微結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，利用相位設(shè)計調(diào)控的方法，提出一種基于三維立體微結(jié)構(gòu)的寬帶消色差單焦距超透鏡，可實(shí)現(xiàn)寬帶消色差和將同一偏振方向的反射光聚焦到同一空間位置。進(jìn)一步，本發(fā)明還提出一種基于三維立體微結(jié)構(gòu)的寬帶消色差可變雙焦距超透鏡，對于不同偏振方向的入射光，可以利用同一個樣品結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)不同焦距的無色差聚焦功能，并且，只需要改變偏振光的入射方向，便可以實(shí)現(xiàn)不同焦點(diǎn)位置的轉(zhuǎn)換。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光電功能器件與材料制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及通過三維立體微結(jié)構(gòu)單元的設(shè)計和空間排布，在可見光-近紅外波段范圍同時實(shí)現(xiàn)寬帶消色差功能和單/雙焦距聚焦的光學(xué)功能。

背景技術(shù)

透鏡是具有極其廣泛應(yīng)用的最基本光學(xué)元器件，各種功能型號的透鏡被大量應(yīng)用在科研和工業(yè)生產(chǎn)的諸多領(lǐng)域。隨著現(xiàn)代光電技術(shù)的發(fā)展，微型化和集成化成為了光學(xué)元件設(shè)計的重要研究發(fā)展方向。傳統(tǒng)的基于光學(xué)晶體的透鏡設(shè)計方案由于其光調(diào)控的物理機(jī)理使得器件的體積較大，在應(yīng)用上受到限制。如果要進(jìn)一步減小光學(xué)元件尺寸，提高光學(xué)系統(tǒng)的集成度，則不能再依靠傳統(tǒng)光學(xué)晶體調(diào)控的思路，需要一種新的設(shè)計方案。近年來利用人工微結(jié)構(gòu)，特別是利用超表面方案開展的超透鏡研究將透鏡元件的體積縮小到了光波長尺度，并且已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)了多種光學(xué)功能。

雖然超透鏡方案顯示出了巨大的優(yōu)勢和潛力，在超透鏡設(shè)計方案中依然有兩個問題需要解決。一是和傳統(tǒng)透鏡一樣，基于超表面設(shè)計的超透鏡往往具有色散，也就是對于不同波長的光，其調(diào)控性質(zhì)不同，表現(xiàn)在不同波長的光經(jīng)過透鏡的偏折之后具有不同的偏折角度，進(jìn)而導(dǎo)致不同波長的光焦點(diǎn)位置不同。第二是超透鏡的功能集成度有限，往往一個透鏡僅能實(shí)現(xiàn)單一的光學(xué)功能，如需要實(shí)現(xiàn)不同焦點(diǎn)的聚焦功能或者焦點(diǎn)可變的功能，就需要利用多個光學(xué)器件疊加，或者在光學(xué)系統(tǒng)中引入光學(xué)元件的機(jī)械運(yùn)動，這樣不僅增加了器件的體積,提高了器件設(shè)計和制備的復(fù)雜度與成本，同時也降低了光學(xué)器件的可靠性和穩(wěn)定性。

對于以上兩個問題，目前已經(jīng)有一些解決方案的報道，例如，為了實(shí)現(xiàn)消色差的功能，將多個具有不同工作波段且具有相同焦距的子透鏡組合到一起，形成一個多結(jié)構(gòu)復(fù)合透鏡，這種通過子透鏡組合形成的復(fù)合透鏡對于子透鏡的多個工作波長具有消色差的功能；此外還有報道通過將超表面幾何相位與法布里波羅振蕩這兩種調(diào)制方法相結(jié)合，彼此的色散相互抵消，也可以實(shí)現(xiàn)消色差的功能。但這些消色差設(shè)計大多存在效率低、波段不連續(xù)的缺點(diǎn)，譬如基于子透鏡組合原理工作的消色差超透鏡往往只能對幾個離散的特定波長實(shí)現(xiàn)消色差功能，而基于幾何相位方法原理工作的超透鏡往往只能針對某一特定手性的圓偏振光實(shí)現(xiàn)消色差功能，對偏振模式要求較高，并且這些消色差設(shè)計幾乎都不能實(shí)現(xiàn)多種光學(xué)功能譬如雙焦距功能的集成。為了實(shí)現(xiàn)雙焦距功能，現(xiàn)有方案可以將同一塊透鏡的不同空間位置設(shè)計為不同焦距，以實(shí)現(xiàn)將照射在透鏡上的光線實(shí)現(xiàn)不同位置的聚焦，但這樣的設(shè)計往往無法實(shí)現(xiàn)不同焦距的轉(zhuǎn)換。當(dāng)透鏡制備完成后，聚焦到兩個焦點(diǎn)的光強(qiáng)度比值便已確定，而無法實(shí)現(xiàn)選擇轉(zhuǎn)換功能。而到目前為止，能夠同時實(shí)現(xiàn)可見至近紅外波段消色差功能和可變雙焦距功能的超透鏡依然是空白。

發(fā)明內(nèi)容

為進(jìn)一步促進(jìn)超透鏡設(shè)計的實(shí)用性，本發(fā)明在三維立體人工微結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，利用相位設(shè)計調(diào)控的方法，提出一種基于三維立體微結(jié)構(gòu)的寬帶消色差單焦距超透鏡，可實(shí)現(xiàn)寬帶消色差和將同一偏振方向的反射光聚焦到同一空間位置。進(jìn)一步，本發(fā)明還提出一種基于三維立體微結(jié)構(gòu)的寬帶消色差可變雙焦距超透鏡，對于不同偏振方向的入射光，可以利用同一個樣品結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)不同焦距的無色差聚焦功能，并且，只需要改變偏振光的入射方向，便可以實(shí)現(xiàn)不同焦點(diǎn)位置的轉(zhuǎn)換。