[發(fā)明專利]一種可見光消色差超構(gòu)透鏡及其制備方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110250375.3
• 申請日: 2021-03-08
• 公開（公告）號: CN112987290A
• 公開（公告）日: 2021-06-18
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 宋清海;陳欽杪;王雨杰;蔡定平;肖淑敏
• 申請（專利權(quán)）人: 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）;香港理工大學(xué)
• 主分類號: G02B27/00
• 分類號: G02B27/00;G02B3/00;G02B1/00
• 代理公司: 深圳市添源知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 44451
• 代理人: 黎健任

本發(fā)明提供了一種可見光消色差超構(gòu)透鏡及其制備方法，該可見光消色差超構(gòu)透鏡包括亞波長的基本單元，所述可見光消色差超構(gòu)透鏡基本單元的相位分布?(r,ω)滿足公式（1），排布在r處的基本單元同時滿足如公式（3）的中心頻率ω_o對應(yīng)的相位分布?_o(r,ω_o)和如公式（4）相應(yīng)的群延遲大小。采用本發(fā)明的技術(shù)方案，在420?700納米波長范圍內(nèi)，實現(xiàn)寬帶消色差，并且聚焦效率得到顯著提升，仿真結(jié)果表明其平均效率高達88.3%以上；且消色差超構(gòu)透鏡的數(shù)值孔徑得到了提升；縱深比也得到提升。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于成像和集成光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種可見光消色差超構(gòu)透鏡及其制備方法。

背景技術(shù)

近年來，隨著微納加工技術(shù)的不斷發(fā)展，以及人們對小型化、輕量化器件的需求日益提高，超構(gòu)表面隨之應(yīng)運而生。超構(gòu)表面是一種由亞波長尺寸的基本單元構(gòu)成的二維陣列結(jié)構(gòu)。通過選用合適的材料，光學(xué)超構(gòu)表面通過改變基本單元的幾何參數(shù)以及調(diào)節(jié)基本單元的排布方式就可以在亞波長尺度內(nèi)對入射光的相位、偏振以及振幅實現(xiàn)預(yù)期的調(diào)制。超構(gòu)表面的上述特性導(dǎo)致其具備超輕、超薄的特點，十分契合器件設(shè)備小型化、集成化的發(fā)展趨勢。超構(gòu)表面的諸多優(yōu)異特性使之多年來成為研究熱點，并出現(xiàn)了大量的相關(guān)應(yīng)用，例如：分光器、光學(xué)全息、顯微鏡、超構(gòu)透鏡。層出不斷的超構(gòu)表面新應(yīng)用以及優(yōu)異的性能正在沖擊著傳統(tǒng)器件。

透鏡作為核心的光學(xué)元件，天文、安防、交通、醫(yī)學(xué)等各個領(lǐng)域?qū)ζ溆袠O高的需求。但是由于其加工工藝要求高且體積大，造成其價格昂貴且難以集成化，導(dǎo)致其應(yīng)用范圍受限。超構(gòu)透鏡的出現(xiàn)，在一定程度上很好的解決了上述問題，并且能夠?qū)崿F(xiàn)衍射極限聚焦，提高了成像時的分辨率。隨著超構(gòu)透鏡的不斷發(fā)展，工作于單波長的超構(gòu)透鏡的數(shù)值孔徑可高達0.99，同時還出現(xiàn)了多焦點超構(gòu)透鏡，焦距可調(diào)超構(gòu)透鏡等等其它一系列性能優(yōu)異、功能多樣的超構(gòu)透鏡。

由于材料存在固有色散的問題，導(dǎo)致透鏡也存在色散。傳統(tǒng)透鏡色散的消除是通過多個透鏡組合的方式來實現(xiàn)的，這進一步增加了光學(xué)系統(tǒng)的體積以及成本。眾多科研工作者憑借超構(gòu)表面突出的相位調(diào)制能力，基于單塊超構(gòu)表面的消色差超構(gòu)透鏡已經(jīng)被提出并不斷得到優(yōu)化，在可見光光譜范圍實現(xiàn)無色散聚焦。

隨著可見光消色差超構(gòu)透鏡的不斷發(fā)展，已經(jīng)由原先的多波長消色差提升為可見光波段的連續(xù)譜消色差。但是目前的消色差超構(gòu)透鏡還存在諸多不足。例如，基于P-B相位調(diào)制的消色差超構(gòu)透鏡，雖然相位的選擇是任意的，但是其不僅受限于入射光的偏振態(tài)而且由于涉及偏振態(tài)轉(zhuǎn)換效率的問題，為了能夠盡量提高數(shù)值孔徑，不得不選用一些低轉(zhuǎn)換效率的基本單元，導(dǎo)致其聚焦效率比較低。通過選用對稱性結(jié)構(gòu)的基本單元，解決了消色差超構(gòu)透鏡對入射光偏振態(tài)依賴的問題，同時還受限于加工工藝，即不能選用厚的基本單元，也就無法提供大范圍的相位延遲；除此之外，還由于優(yōu)化方法的不足，從而導(dǎo)致這些消色差超構(gòu)透鏡具有聚焦效率低、數(shù)值孔徑小的缺點。

發(fā)明內(nèi)容

針對以上技術(shù)問題，本發(fā)明公開了一種可見光消色差超構(gòu)透鏡及其制備方法，得到的超構(gòu)透鏡數(shù)值孔徑、縱深比均得到提升，且聚焦效率得到了顯著提升。

對此，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種可見光消色差超構(gòu)透鏡，其包括亞波長的基本單元，所述可見光消色差超構(gòu)透鏡的相位分布φ(r,ω)滿足公式(1)：

式(1)中，ω為角頻率，c為光速，r為坐標(biāo)，f為超構(gòu)透鏡的焦距；

排布在r處的基本單元同時滿足中心頻率ω_o對應(yīng)的相位分布φ_o(r,ω_o)和相應(yīng)的群延遲大小其中，