[發明專利]超表面透鏡的構造方法、超表面透鏡

在審

• 申請號: 202310376890.5
• 申請日: 2023-04-10
• 公開（公告）號: CN116520463A
• 公開（公告）日: 2023-08-01
• 發明（設計）人: 岳嵩;劉宇欣;王然;侯煜;李曼;石海燕;張昆鵬;張紫辰;竇同輝
• 申請（專利權）人: 中國科學院微電子研究所
• 主分類號: G02B3/00
• 分類號: G02B3/00;G02B1/00
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 吳夢圓

1.一種超表面透鏡的構造方法，包括：

建立結構單元庫，所述結構單元庫包括多種結構單元，所述結構單元包括襯底和柱狀結構，所述柱狀結構的橫截面的圖形具有90°角旋轉對稱性，任意兩個結構單元的橫截面的形狀和尺寸不同；

根據超表面透鏡的表面的空間位置和光譜相位的理想分布關系確定理想狀態下工作于目標波段和目標焦距的超表面透鏡的表面任意空間位置處的最低頻相位和相位色散，其中，所述目標波段的入射光聚焦在目標焦距處，所述超表面透鏡的表面為二維平面；

對所述結構單元庫中的每個結構單元進行仿真，并提取得到每個結構單元所能提供的最低頻相位和相位色散；

遍歷超表面透鏡的表面每個空間位置，根據每個結構單元能提供的最低頻相位和相位色散對結構單元庫中的結構單元進行篩選，以確定所述空間位置的目標結構單元，所述目標結構單元的最低頻相位和相位色散相對于理想狀態下所述空間位置處的最低頻相位和相位色散具有最小誤差；

將所有目標結構單元各自擺放至對應的空間位置上，完成超表面透鏡的構造，構造出的超表面透鏡在目標波段實現連續消色差。

2.根據權利要求1所述的方法，其中，所述目標波段為中波紅外波段3-5μm，所述柱狀結構包括：方形柱、矩形框柱、同心矩形柱、十字形柱和帶矩形框的十字形柱，構造出的超表面透鏡在帶寬為2μm的范圍內實現寬帶連續消色差；或者

所述目標波段為長波紅外波段8-14μm，所述柱狀結構包括方形柱、矩形框柱、同心矩形柱、十字形柱、帶矩形框的十字形柱、圓柱、圓環形柱和同心圓柱，構造出的超表面透鏡在帶寬為6μm的范圍內實現寬帶連續消色差。

3.根據權利要求1所述的方法，其中，所述襯底的材料為硅、鍺、CaF₂和MgF₂之一、所述柱狀結構的材料為硅或鍺。

4.根據權利要求1所述的方法，其中，根據超表面透鏡的空間位置和光譜相位的理想分布關系確定理想狀態下工作于目標波段和目標焦距的超表面透鏡的表面任意空間位置處的最低頻相位和相位色散，包括：

根據所述理想分布關系，利用目標波段內不同的采樣波長確定多組相位補償參數分別對應的超表面透鏡的表面不同空間位置處的最佳結構單元；

根據每組相位補償參數對應的不同空間位置處的最佳結構單元確定每組相位補償參數對應的品質因數；

根據每組相位補償參數對應的品質因數確定多組相位補償參數中的最優參數，其中，所述最優參數用于確定理想狀態下工作于目標波段和目標焦距的超表面透鏡的表面任意空間位置處的最低頻相位和相位色散。

5.根據權利要求2所述的方法，其中，所述方法還包括：

對所述超表面透鏡進行仿真，得到所述超表面透鏡的近場光場分布和遠場光場分布。

6.根據權利要求1所述的方法，其中，所述最低頻相位為，所述超表面透鏡的表面各空間位置處或各結構單元在所述目標波段內的最低頻入射光的相位；所述相位色散為所述超表面透鏡的表面各空間位置處或各結構單元在所述目標波段內的最高頻入射光的相位與所述最低頻入射光的相位之差。

7.根據權利要求6所述的方法，其中，對所述結構單元庫中的每個結構單元進行仿真包括：

利用光學仿真軟件對每個所述結構單元進行仿真，得到每個所述結構單元在目標波段的透射率和相位信息，并提取每個所述結構單元的最低頻相位和相位色散。

8.根據權利要求1所述的方法，其中，所述超表面透鏡的空間位置和光譜相位的理想分布關系表示如下：

其中，r為空間位置與透鏡中心的距離，f為目標焦距，c是光速，ω是入射光的角頻率，r₀和C₀為參數。

9.一種超表面透鏡，采用如權利要求1-8任一項的方法構造而成。

10.根據權利要求9所述的表面透鏡，其中，

所述超表面透鏡的各結構單元的襯底相接且呈周期排布；

在目標波段為中波紅外波段3-5μm的情況下，所述結構單元的數值孔徑為0.20-0.32，所述結構單元的高度為2.5-3.4μm，在所述目標波段內各波長下的平均焦距相比于目標焦距的偏移為2.67-4.67％；或者

在所述目標波段為長波紅外波段8-14μm的情況下，所述結構單元的數值孔徑為0.32-0.71，所述結構單元的高度為7-16.5μm，在所述目標波段內各波長下的焦距相對于平均焦距的最大偏移為2.48％-5.02％。