一种基于人工微结构超表面构造超薄光学透镜的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于微纳光学及光学忍片集成领域，尤其设及一种基于人工微结构超表面 构造超薄光学透镜的方法。
【背景技术】
[0002] 光学透镜是人们日常生活中常用的光学元件，包括手机，摄像头，录像机等等，同 时在工业生产和国防领域也有重要作用。通常使用的透镜体积较大，且至少有一面是曲面。 然而，随着科技的发展，人类制造的设备功能越来越复杂，同更多地同时需要光、机、电各个 方面的相互配合。传统的光学透镜体积大，曲面设计已经无法满足日益提高的集成化要求。 怎样有效的结合现有的成熟半导体工艺解决W上问题变得十分重要。
[0003] 通过微纳光学技术，在微米和纳米量级操控电磁波的传播已经成为目前热口的科 研发展方向。通过微纳技术，我们可W制作出微纳光学透镜，它不仅体积小，两个面都是平 面，同时重量轻，厚度只有微米量级，完美兼容现有的半导体工艺，非常适合集成在复杂的 光机电系统中。人工微结构超表面为目前面临的问题提供了有效的解决方法。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提供一种基于人工微结构超表面构造超薄光学透镜的方法。
[0005] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：
[0006] 步骤（1).在600nm~20um的可见光到中红外的波长带宽范围内，选择需要的工作 波长。根据所需要出射的聚焦点的位置，确定人工微结构超表面上的相位分布。运里主要利 用了惠更斯原理化uygens principle),它的主要内容是:行进中的波阵面上任一点都可看 作是新的次波源，而从波阵面上各点发出的许多次波所形成的包络面，就是原波面在一定 时间内所传播到的新波面。当平面波穿过人工微结构超表面时，由于不同位置的结构单元 对平面波的相位延迟不同，使得透射波的次波所形成的包络面发生变化，运种包络面的变 化可W人为调制。
[0007] 我们设人工微结构超表面构造的超薄光学透镜的焦距为f，设计工作波长为λ，在 人工微结构超表面的周期性结构上，选中的某个周期结构距离人工微结构超表面中屯、距离 为S。则此结构单元到焦点的距离ds可W用勾股定理计算得到：
[000引
[0009] ds就是平面波照射到此周期结构后发出的次波到焦点的距离。其相位变化可W表 示为Ws:
[0010]
倒
[0011] 确定每一个不同位置的相位变化Ws就确定了出人工微结构超表面上的相位分 布。
[0012] 步骤(2). W-定的周期设计旋转对称的周期性结构，将得到的相位梯度分布结合 表面上的周期性结构单元确定具体的相位值。运种旋转对称的周期性结构包括但不限于四 边形、五边形、六边形、圆形等一系列旋转对称图案。
[0013] 选取合适的周期P后，选中的某个周期结构距离人工微结构超表面中屯、距离为S可 W用n*p表示，其中η为从中屯、开始计算的第η个周期（由于旋转对称有多种可能的图案，因 此η可W为小数）。
[0014]
0)
[001引用得到的dn除W波长λ，可W得到商a和余数b，
[0016]
(4)
[0017] 其中商a代表了dn所包含了a个整数倍的λ，电磁波传播经过整数倍λ后，其相位不 变化，因此a没有特别的用处。余数b则代表了去除整数倍的λ后，η*ρ处的周期结构发出的次 波到焦点时其相位变化了b(b<l)倍的λ，因此η*ρ处的周期结构发出的次波到焦点时其相 位变化可W表示为：
[001 引（K=b* 化（5)
[0019] 根据W上原理和计算公式，理论上在确定焦距和周期后，可W计算出无限大的人 工微结构超表面的相位分布值。我们给式(3)做微分：
巧）
[0020]
[0021] 可W看出，当η逐渐增大后，d(dn)/dn逐渐增大，最终趋近于1，运意味着随着η增 大，人工微结构超表面上单位距离的相位梯度变化更剧烈，偏折角更大。运个原因会导致整 体的人工微结构超表面的聚焦效率变低。
[0022] 步骤(3).模拟计算出不同相位值的确定高度的柱状结构。根据W上计算得到的相 位值，选取合适结构的柱状结构作为人工微结构超表面的基本单元，根据每个基本单元的 相位要求设计相应的具体实现结构，最终组合形成人工微结构超表面构造的超薄透镜。在 选取的柱状材料中，主要考察因素为在工作波段介电常数高且损耗低，因此其材料包括但 不限于娃(Si),错(Ge)，二氧化铁(Ti〇2)等一系列符合要求的材料。同时，其柱状结构也包 含Ξ角柱状，四边柱状，五边柱状，圆柱状，楠圆柱状在内的一系列结构。
[0023] 本发明有益效果如下：
[0024] 本发明通过设计人工微结构超表面，将正入射或斜入射的单色自然光调制，在焦 平面上汇聚，实现光学透镜的聚焦效果。
[0025] 本发明采用了在工作波段损耗低的娃和二氧化娃等材料，具有透过率高、损耗低 等特点。同时相比传统光学透镜，具有超薄，双平面性，易于集成等优点。
【附图说明】
[0026] 图1为利用人工微结构超表面实现对平行光束入射聚焦示意图。
[0027] 图2为人工微结构超表面结构单元的相位计算示意图。
[0028] 图3(a)为相同几何结构的介质单元组成的人工微结构超表面结构示意图。
[0029] 图3(b)为图3(a)的俯视图。
[0030] 图4为最终设计完成的人工微结构超表面的结构示意图(俯视图）。
[0031] 图5为人工微结构超表面结构单元不同半径下的透射率和相位延迟数值仿真结 果。
[0032] 图6为超薄透镜切面模拟的结构示意图。
[0033] 图7(a)为X偏振方向平面光入射到人工微结构超表面超薄透镜后透射光的聚焦 图。
[0034] 图7(b)为y偏振方向平面光入射到人工微结构超表面超薄透镜后透射光的聚焦 图。
[0035] 图8(a)为X偏振方向平面光W10°入射角斜入射到人工微结构超表面超薄透镜后 透射光的聚焦图。
[0036] 图8(b)为y偏振方向平面光W10°入射角斜入射到人工微结构超表面超薄透镜后 透射光的聚焦图。
[0037] 图9为经过电子束曝光系统加工工艺制作出的人工微结构超表面超薄光学透镜阵 列。
【具体实施方式】
[0038] 下面结合附图对本发明作进一步说明。
[0039] -种基于人工微结构超表面构造超薄光学透镜的方法，具体包括W下步骤：
[0040] 步骤（1)，在600nm~20um的可见光到中红外的波长带宽范围内，选择需要的工作 波长。根据所需要出射的聚焦点的位置，确定人工微结构超表面上的相位分布。如图1所示， 入射单色平面自然光沿Z轴正方向传播，垂直照射到人工微结构超表面上。经过人工微结构 超表面上各个结构单元的相位调制，出射光的波前变为汇聚的球面波，最终汇聚在焦平面 上。
[0041 ]关于人工微结构超表面上各个点的相位计算如下：
[0042] 在图2中，设计工作波长为λ，a点为人工微结构超表面的中屯、点。b点为人工微结构 超表面构造的超薄光学透镜的焦点，C点为需要计算此处相位延迟的某个结构单元。运样， ab线段的长度代表了透镜的焦距f，ac线段的长度则代表C点处的结构单元距离人工微结构 超表面中屯、距离s，bc线段的长度代表C点结构单元发出的次波传播到b处焦点时经过的光 程ds(默认人工微结构超表面的工作环境为空气，此介质的折射率为1，如不在空气中，光程 应为路径距离与折射率的乘积）。
[0043] 此结构单元到焦点的光程山可W用勾股定理计算得到：
[0044]
(1)
[0045] 平面波照射到此结构单元后发出的次波到焦点经过光程cU。其相位变化可W表示 为Ws:
[0046]
(2)
[0047] 确定每一个不同位置的相位变化Ws就确定了出人工微结构超表面上的相位分 布。
[0048] 步骤(2)，运里W-定的周期设计六边形旋转对称的周期性结构，将得到的相位梯 度分布结合平面