一种基于超材料的中红外波段超薄平板透镜的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于微纳加工技术领域，涉及一种基于超材料的中红外波段超薄平板透 镜。
【背景技术】
[0002] 随着航天领域的迅速发展，航天光学技术问题对成像系统集成化、小型化以及高 分辨率提出了更高的要求。然而，传统透镜是通过塑造透镜的形状从而改变光程差来实现 成像的，随着透镜半径的增大，对加工的要求越来越苛刻，同时透镜质量不可避免的迅速变 大，不再能够满足集成化，小型化的要求。另一方面，传统成像受到衍射极限的限制，无法实 现提高分辨率的想法。当天然材料的光学性质无法满足需求的时候，向人工材料的研宄自 然会成为备受关注的焦点。近几十年来，等离激元学以及超构材料领域的迅速发展，为寻 找光学高品质的人工材料提供了许多新方法，比如负折射材料以及各向异性人工材料等。 人工超构材料是由大量金属微纳结构组成的人工复合材料，基于人工超构材料的研宄成果 多集中于微波波段，应用于通讯领域，而在红外可见光波段针对平面波聚焦成像的研宄较 少。国际上具备平面波聚焦成像功能的平板透镜，其对应的成像波段是通讯波段（1550nm)， 透镜的直径约为1mm，焦距7mm。目前，国内外尚无中红外波段（中心波长10. 6 ym，带宽 lum)的大尺寸（cm级）平板透镜。本发明填补了中红外波段聚焦成像平板透镜的领域空 白，而且首次加工直径在厘米级，厚度在毫米量级的超薄平板透镜，为后续更大尺寸的商业 级超薄平板透镜提供借鉴。
【发明内容】
[0003] 本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于超材料的中红外 波段超薄平板透镜，解决在航天成像领域传统透镜厚度大，重量大，聚焦受到透镜形状的 影响的问题。
[0004] 本发明的技术方案是：一种基于超材料的中红外波段超薄平板透镜，包括圆形氟 化钡平板基底；圆形氟化钡平板基底上刻有V字形金属棒结构，V字形金属棒结构上镀有金 膜；所述V字形金属棒结构设计如下：
[0005] 根据完美聚焦相位分布公式：
其中A是自由空间的波长，f 是平板透镜的焦距，r是V字形金属棒结构距离平板透镜中心的距离，分别把不同相位供的 V字形金属棒结构排列于不同半径r处，不同V字形金属棒结构沿径向排布，形成同心环； 其中，每个同心圆环上排布的V字形金属棒结构相同，且个数n = 2Jir/a，其中a为每个V 字形金属棒结构所占据的正方形空间的边长。
[0006] 所述圆形氟化钡平板基底厚度为1mm，半径为10mm。
[0007] 所述相位供为每隔31 /8增加相位值，共16组V字形金属棒结构；其中每组V字形 金属棒结构包括两个金属棒单元，且两个金属棒单元形状尺寸相同；16组V字形金属棒结 构中的8组V字形金属棒结构单元的长度h分别为1. 78、1. 5、1. 33、1. 18、1. 13、0. 98、1和 0. 68ym，对应每组V字形金属棒结构中两个金属棒单元的夹角A分别为45°、45°、60°、 60°、90°、90°、180°和180° ;其中，以平板透镜基底为平面建立平面直角坐标系，每组 两个金属棒单元形成的夹角A的开口方向与平板透镜基底XY平面上的X轴正向夹角为 45° ;16组V字形金属棒结构中的另外8组V字形金属棒结构单元的长度h分别为1. 78、 1. 5、1. 33、1. 18、1. 13、0. 98、1和0. 68 y m，对应每组V字形金属棒结构中两个金属棒单元的 夹角A分别为45°、45°、60°、60°、90°、90°、180°和180°，其中，每组两个金属棒单 元形成的夹角A的开口方向与平板透镜基底XY平面上的X轴正向夹角为-45°。
[0008] 所述平板透镜的焦距f = 3mm，每个V字形金属棒结构所占据的正方形空间的边长 a = 5 y m ;每个金属棒单元线宽约为1 y m。
[0009] 本发明与现有技术相比的有益效果是：
[0010] (1)本发明与传统凸透镜相比，其面型为超薄平板，大大降低了透镜的质量和大 小，实现了成像系统的集成化和小型化。
[0011] (2)本发明首次提出了 16组不同形状的金属棒设计，首次解决了平板透镜在小半 径区域成像效果不佳的问题。
[0012] (3)本发明利用人工超构材料实现透镜制备，其特殊的光学性质将会为未来实现 超分辨率成像提供可能的办法。
【附图说明】
[0013] 图1为本发明平板透镜基板上V字形金属棒结构布局设计版图。
[0014]
【具体实施方式】
[0015] 利用V字形金属棒结构电共振效应，可以将共振区域附近的金属微纳结构看做纳 米天线。考虑到入射光波长远大于纳米天线长度，因此金属纳米天线可以等效于电偶极子， V字形金属棒结构天然具有两种共振激发方式，即对称模式（Symmetric mode)和反对称模 式（Antisymmetric mode)。由于入射光在两个方向的激发效果不同，使得两个方向的振动 相互转化，实现从入射偏振（A)波到出射偏振（B)波的特殊相位变化。其中，A波B波振动 相互垂直。具体计算时利用Maxwell方程和具体的边界条件计算相应的电磁波的吸收与辐 射效果。
[0016] 本发明以圆形氟化钡作为平板基底（厚度约为1_，半径约为10mm)，针对中红外 波段（9. 6~11. 6um)设计透镜焦距f = 3_。利用光刻方法将设计的V字形金属棒结构 (线宽约为1 U m)图案转移到BaF2基片上，形成V字形金属棒结构凹槽结构，采用电子束蒸 发方法在基片镀上金（Au)膜，覆盖在V字形金属棒结构凹槽结构上，随后进行基片清洗去 除表面多余的Au膜，即获得了超薄平板透镜。
[0017] 对称模式（Symmetric mode)和反对称模式（antisymmetric mode)这两种模 式的共振激发效果主要取决于V字形金属棒结构的金属棒单元长度和金属棒单元间夹 角。另一方面，由于V字形金属棒结构存在间隙，因此仍然存在正常折射的光。通过改变 V字形金属棒结构型结构在基底上的密度，以及V字形金属棒结构的金属棒单元长度h、 金属棒单元间夹角△、线宽等控制光的相位变化以及反常折射光的光强。针对上述变量 的合理选择问题，通过FDTD数值模拟方法，对不同的V字形金属棒结构进行计算获取振 幅变化以及相位变化与V字形金属棒结构参数的关系数据，将图1中透过率较高的点取 出来，然后根据