多功能消色差超透镜、设计方法和制备方法

本申请属于超透镜，具体涉及一种多功能消色差超透镜、设计方法和制备方法。

背景技术：

1、超透镜具有小型化、低剖面的特点，且尺寸通常为纳米级别，其具有光学特性的动态控制功能(如振幅、相位、偏振、空间/光谱/时间响应)和早期器件功能(如光束转向、可调谐聚焦、可调谐滤波器/吸收器、动态全息图等)，基本实现了对传统光学应用的全覆盖。

2、现有技术中超透镜聚焦于实现某一单一的功能，这不利于未来光学的发展趋势。在一些应用场景中，为了实现多功能透镜功能，需要将多个超透镜级联使用，不利于透镜的小型化、集成化设计。

技术实现思路

1、本申请的目的在于提供一种多功能消色差超透镜、设计方法和制备方法，以解决现有技术中超透镜聚焦于实现某一单一的功能，这不利于未来光学的发展趋势的技术问题。

2、为实现上述目的，本申请采用的一个技术方案是：

3、提供了一种多功能消色差超透镜的设计方法，包括：

4、一种多功能消色差超透镜的设计方法，包括：

5、设定目标工作波长和目标放大倍率；

6、基于所述目标工作波长，确定衬底的材料；

7、基于所述目标放大倍率，确定衬底的第一超表面和第二超表面的透镜直径和目标焦距；

8、基于所述目标工作波长和目标焦距，确定衬底的第一超表面和第二超表面的目标相位信息，所述目标相位信息包括不同位置的亚波长结构的目标相位；

9、基于所述目标相位信息，分别在所述第一超表面和第二超表面构建超透镜，得到多功能消色差超透镜模型。

10、在一个或多个实施方式中，所述目标工作波长在可见光波段，所述衬底的材料为氮化镓。

11、在一个或多个实施方式中，基于所述目标放大倍率，确定衬底的第一超表面和第二超表面的透镜直径和目标焦距的步骤包括：

12、基于所述目标放大倍率，获取第一超表面和第二超表面的目标焦距比值；

13、基于所述目标焦距比值，确定第一超表面和第二超表面的透镜直径和目标焦距，所述第一超表面的目标焦距和透镜直径的比值与所述第二超表面的目标焦距和透镜直径的比值相同。

14、在一个或多个实施方式中，基于所述目标工作波长和目标焦距，确定衬底的第一超表面和第二超表面的目标相位信息的步骤包括：

15、基于相位调制函数，计算不同位置的亚波长结构的目标相位，所述相位调制函数的表达式为：

16、

17、式中，为目标相位，f为目标焦距，λ为目标工作波长。

18、在一个或多个实施方式中，基于所述目标相位信息，分别在所述第一超表面和第二超表面构建超透镜，得到多功能消色差超透镜模型的步骤包括：

19、基于所述目标相位信息，获取目标旋转信息，所述目标旋转信息包括不同位置的亚波长结构的旋转角度；

20、基于所述目标旋转信息，分别在所述第一超表面和第二超表面构建超透镜。

21、在一个或多个实施方式中，所述基于所述目标相位信息，获取目标旋转信息的步骤包括：

22、基于pb调控函数，计算不同位置的亚波长结构的旋转角度，所述pb调控函数的表达式为：

23、

24、式中，为目标相位，θ为旋转角度。

25、在一个或多个实施方式中，所述基于所述目标旋转信息，分别在所述第一超表面和第二超表面构建超透镜的步骤包括：

26、确定所述第一超表面和第二超表面的亚波长结构排布方式；

27、确定亚波长结构的尺寸和周期；

28、基于所述目标旋转信息，分别在所述第一超表面和第二超表面旋转不同位置的亚波长结构。

29、在一个或多个实施方式中，所述确定亚波长结构的尺寸和周期的步骤包括：

30、将所述亚波长结构的高度和周期设置为一致，利用参数化扫描确定所述亚波长结构的长度和宽度。

31、为实现上述目的，本申请采用的另一个技术方案是：

32、提供一种多功能消色差超透镜，通过上述任一实施方式所述的多功能消色差超透镜的设计方法设计得到。

33、为实现上述目的，本申请采用的又一个技术方案是：

34、提供上述任一实施方式所述的多功能消色差超透镜的制备方法，包括：

35、在衬底的第一超表面依次涂胶、曝光、显影、刻蚀，得到第一超透镜；

36、将衬底旋转，在衬底的第二超表面依次涂胶、曝光、显影、刻蚀，得到第二超透镜。

37、区别于现有技术，本申请的有益效果是：

38、本申请多功能消色差超透镜能够同时实现消色差和倍数放大功能，能够满足小型成像设备的镜头需求，在受限的镜头体积限制下能够实现彩色成像和倍数放大功能；

39、本申请设计方法通过分别设定衬底的第一超表面和第二超表面的目标焦距和透镜直径，能够在保证其na数值孔径相同的前提下，实现倍数放大；同时第一超表面和第二超表面分别基于相位调制函数确定目标相位信息，保证不同波长光线经过透镜后能够聚焦为一点，实现消色差功能；

40、本申请多功能消色差超透镜能够通过半导体光刻工艺制备，有效避免了传统超透镜需要在在衬底的表面进行金属或者介质材料的制作的步骤，简化了制备复杂度。

技术特征：

1.一种多功能消色差超透镜的设计方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述目标工作波长在可见光波段，所述衬底的材料为氮化镓。

3.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，基于所述目标放大倍率，确定衬底的第一超表面和第二超表面的透镜直径和目标焦距的步骤包括：

4.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，基于所述目标工作波长和目标焦距，确定衬底的第一超表面和第二超表面的目标相位信息的步骤包括：

5.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，基于所述目标相位信息，分别在所述第一超表面和第二超表面构建超透镜，得到多功能消色差超透镜模型的步骤包括：

6.根据权利要求5所述的设计方法，其特征在于，所述基于所述目标相位信息，获取目标旋转信息的步骤包括：

7.根据权利要求5所述的设计方法，其特征在于，所述基于所述目标旋转信息，分别在所述第一超表面和第二超表面构建超透镜的步骤包括：

8.根据权利要求7所述的设计方法，其特征在于，所述确定亚波长结构的尺寸和周期的步骤包括：

9.一种多功能消色差超透镜，其特征在于，通过权利要求1至9任一所述的多功能消色差超透镜的设计方法设计得到。

10.权利要求9所述的多功能消色差超透镜的制备方法，其特征在于，包括：

技术总结
本申请公开了一种多功能消色差超透镜、设计方法和制备方法，设计方法包括设定目标工作波长、目标放大倍率；基于所述目标工作波长，确定衬底的材料；基于所述目标放大倍率，确定衬底的第一超表面和第二超表面的透镜直径和目标焦距；基于所述目标工作波长和目标焦距，确定目标相位信息；基于所述目标相位信息，分别在所述第一超表面和第二超表面构建超透镜，得到多功能消色差超透镜模型。本申请同时实现消色差和倍数放大功能，满足小型成像设备的镜头需求；能够在保证其NA数值孔径相同的前提下，实现倍数放大，同时第一超表面和第二超表面分别基于相位调制函数确定目标相位信息，保证不同波长光线经过透镜后能够聚焦为一点，实现消色差功能。

技术研发人员：蒋春萍,刘磊
受保护的技术使用者：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12