一种抗温度干扰的光学超表面聚焦成像元件及其方法与流程

本发明涉及超表面聚焦成像元件领域，具体涉及一种抗温度干扰的光学超表面聚焦成像元件及其方法。

背景技术：

超表面是近些年来发展起来的一种新型二维光学材料，其基本单元由亚波长结构构成，具有超轻超薄的性质，理论上可以在亚波长尺度对光场进行相位、振幅等多种电磁调控，以此为基础制成的超表面器件可以轻松实现传统光学器件难以实现、甚至无法实现的特殊功能，因此超表面作为光学成像元件已经应用于内窥镜、虚拟现实等领域，以其在分辨率及小型化等方面的优势，深受市场用户的欢迎。而在取得巨大成功的同时，由于不少超分辨成像技术原理复杂，加工成本高昂，实现起来条件苛刻，使得系统成本居高不下，从而大大限制了其实用性。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种抗温度干扰的光学超表面聚焦成像元件及其方法，实现由亚波长间距纳米结构长方体阵列组成的超表面透镜，该透镜集成度高，尺寸小，厚度薄，可以在微米量级。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种抗温度干扰的光学超表面聚焦成像元件，所述元件包括二氧化硅基底和碳化硅纳米柱；所述纳米柱在基底上进行正方形阵列排序，并旋转预设的角度用于调制入射光的相位。

进一步的，所述基底的一个侧面划分成正方形单元网格，在正方形单元网格放置尺寸相同的碳化硅纳米柱。

进一步的，所述正方形单元网格周期为s=400nm，高度为h=600nm。

进一步的，所述碳化硅纳米柱结构尺寸为长度l=280nm，宽度w=95nm。

一种抗温度干扰的光学超表面聚焦成像元件的设计方法，包括以下步骤：

步骤s1:利用有限时域差分算法fdtd软件进行参数寻优，碳化硅折射率为2.60二氧化硅折射率为1.45，设定光源为圆偏振光，边界条件为pml，监视器设定在纳米柱上方300nm处，元件口径为20um；

步骤s2:将所述基底的一个侧面划分成正方形单元网格，在正方形单元网格放置尺寸相同的碳化硅纳米柱，网格周期为s，高度为h,并根据转角公式确认碳化硅纳米柱的转角；

步骤s3:嵌套循环l和w进行遍历，通过远场投射计算焦点电场强度和半高宽，最终确定碳化硅纳米柱结构尺寸为长度l，宽度w。

进一步的，所述转角公式具体为：

（1）。

进一步的，所述长度l和宽度w分别在200~350nm和60~180nm，且嵌套循环l和w以间隔步长5nm进行遍历。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、本发明由亚波长间距纳米结构长方体阵列组成的超表面透镜，该透镜集成度高，尺寸小，厚度薄，可以在微米量级。

2、本发明质量轻，像差和色差好，适合设备系统小型化和快速定位与扫描。

附图说明

图1为本发明的光线聚焦示意图和单元结构示意图，其中灰色部分为基底，深蓝色部分为纳米柱；

图2为本发明一实施例中纳米柱的分布示意图；

图3为本发明一实施例中超表面聚焦成像元件三维示意图；

图4为本发明一实施例中中将图2所示的一种超表面透镜结构图导入时域有限差分法fdtd软件进行模拟，在焦点位置可以获得图4所示的光斑图；

图5为本发明一实施例中将图2所示的一种超表面透镜结构图导入时域有限差分法fdtd软件进行模拟，在xz面可以获得图5所示的场强图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

请参照图1，本发明提供一种抗温度干扰的光学超表面聚焦成像元件，所述元件包括二氧化硅基底和碳化硅纳米柱；所述纳米柱在基底上进行正方形阵列排序，并旋转预设的角度用于调制入射光的相位。

在本实施例中对入射光束进行位相调整的两个关键点在于纳米结构长方体的尺寸以及各自旋转的角度，根据所需结果的不同，可以相应地调整所述纳米结构长方体的尺寸及各个纳米结构长方体旋转的角度。

在本实施例中，根据碳化硅在可见光范围内具有较高的折射率和透光率，且热膨胀系数接近于零，在环境温度急剧变化的情况下也能保持良好的结构稳定性；二氧化硅作为常用的衬底材料，加工成本低，且能保证良好的面形精度和粗糙度。纳米柱的结构尺寸由理论计算所得，其中：长度l=280nm，宽度w=95nm，高度h=600nm，周期s=400nm，其转角由公式

（1）

确定，元件的口径为20um，纳米柱的个数为1941。

本实施例中，基于几何相位原理，针对介质材料设计稳定性和光转换效率高的微纳结构表面，所述几何相位原理具体为：

几何相位原理是指当一个绝热的物理系统从a状态沿着一个特定的路径（路径并非特指物理空间路径，而是指一定的态空间或者参数空间）进行演变，经过一个周期回到初始状态时，初始状态与最终状态并不能完全等效，其中会相差一个特定的相位因子，而且该相位因子只与系统演变的几何路径有关系。在电磁波偏振转化过程中，不同的转化路径会引入一个额外的相位，恰好就是庞加莱球上某一点p沿不同路径到达另一点q时由于路径的不同，引入了一个额外的相位差。几何相位型超表面对电磁波的调制可以用以下琼斯矩阵来表述：

(2)

其中和代表的是入射电磁场在x和y方向的偏振分量，和则代表出射电磁场在x和y方向的偏振分量。代表的是超表面的调制作用，表示为琼斯矩阵为：

(3)

考虑圆偏振光入射的情况，将圆偏振光的琼斯矩阵代入公式(2)可得：

(4)

可以看出，在圆偏振光入射的情况下，无论是透射式还是反射式超表面，出射电磁场中除了保留有部分与入射偏振态相同的分量，还有与入射偏振态恰好相反的、正交的分量，其复振幅为（或）。圆偏振光入射条件下，激发的正交分量的振幅是恒定值，与各向异性结构的旋转角度无关。因此只要各向异性的结构在局域坐标系两个主轴方向上的透过率或反射率不同，即可实现对正交圆偏振分量的激发，且会携带一个与结构指向角相关的相位突变，这就是偶极子光天线结构引入的几何相位。

本实施例中，一种抗温度干扰的光学超表面聚焦成像元件的设计方法，包括以下步骤：

步骤s1:利用有限时域差分算法fdtd软件进行参数寻优，碳化硅折射率为2.60二氧化硅折射率为1.45，设定光源为圆偏振光，边界条件为pml，监视器设定在纳米柱上方300nm处，元件口径为20um；

步骤s2:将所述基底的一个侧面划分成正方形单元网格，在正方形单元网格放置尺寸相同的碳化硅纳米柱，网格周期为s=400nm，高度为h=600nm,并根据转角公式确认碳化硅纳米柱的转角；

步骤s3:长度l和宽度w分别在200~350nm和60~180nm之间，嵌套循环l和w以间隔步长5nm进行遍历，通过远场投射计算焦点电场强度和半高宽，最终确定结构尺寸为长度l=280nm，宽度w=95nm。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。