一种偏振非依赖型超透镜制造技术

本发明专利技术公开了一种偏振非依赖型超透镜，包括基底层和在基底层上构建超表面阵列的超单元，所述超单元包括单圆柱、环形柱及同心柱，所述偏振非依赖型超透镜通过传播相位和补偿相位相结合的方式控制入射线偏振光的波前和消除色差。本发明专利技术中采取的入射线偏振光垂直照射超表面结构，根据所选择的入射中心波长，对介质柱进行结构参数扫描和优化，通过改变圆柱硅的尺寸能得到所需的补偿相位，并且实现高透过率，保证结构选择与传播相位相结合的方法能控制入射光的波前和消除色差。制入射光的波前和消除色差。制入射光的波前和消除色差。

【技术实现步骤摘要】
一种偏振非依赖型超透镜


[0001]本专利技术属于复合材料超表面
，具体涉及一种偏振非依赖型超透镜。

技术介绍

[0002]波长色散是光学材料的一个重要特性，在光学元件和系统的设计中一直起着重要的作用，在大多数介质中，像玻璃，折射率随波长的增加而减小，这称为正常色散，利用这种材料，相比于短波长，在较长波长处折射透镜将具有更大的焦距，而棱镜将以更小的角度偏转，这种色差严重降低了全色光学应用的性能，如通信、检测、成像、显示等。目前，有超透镜使用多层结构实现双波长和三波长色差的消除，这一策略虽然取得了成功，但增加了光学系统的重量、复杂性和成本，极大地限制了它们的使用；且这些超透镜都受限于偏振依赖性，只能聚焦圆偏振光。
[0003]因此，最近的研究主要集中在可见光和近红外的偏振不敏感消色差超透镜的设计上，然而，如何设计一种不受偏振影响的消色差超透镜来消除中红外波段的色差效应仍是一个巨大的挑战。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种偏振非依赖型超透镜，以克服上述技术问题。
[0005]本专利技术的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
[0006]一种偏振非依赖型超透镜，包括基底层和在基底层上构建超表面阵列的超单元，所述超单元包括单圆柱、环形柱及同心柱；
[0007]所述偏振非依赖型超透镜通过传播相位和补偿相位相结合的方式控制入射线偏振光的波前和消除色差；
[0008]其中，利用传播相位作为聚焦相位，入射线偏振光垂直照射超单元，入射波长范围为3.7
‑
4.7μm，通过传播相位的原理选择所述超单元控制入射线偏振光的波前，使在选定的中心波长处进行聚焦；
[0009]其中，通过所述超单元中三种不同类型结构获得需要的不同补偿相位值，保证在选取的入射波长范围内，补偿相位与入射波长的倒数呈线性关系，以消除在中心波长外的入射波长处的色差效应。
[0010]进一步地，所述单圆柱、环形柱及同心柱均为Si纳米结构，且所述单圆柱、环形柱及同心柱的高度H为4.5μm。
[0011]进一步地，所述基底层的材质采用CaF2。
[0012]进一步地，所述超单元中的所述单圆柱、环形柱及同心柱的外直径保持一致。
[0013]进一步地，所述偏振非依赖型超透镜的相位分布的公式φ(x，λ)＝(2πλ)ne
ff
H，其中，n
eff
表示纳米结构的有效折射率，H表示超单元中各结构的高度。
[0014]进一步地，所述构建超表面阵列的超单元之间的距离为1.8μm。
[0015]有益效果：
[0016]本专利技术所设计的超表面实现的消色差是连续带宽范围内的，除了可以单独用超表面实现消色差，还可与传统光学器件相结合，从而提高超表面消色差器件的性能和尺寸，扩展应用范围；
[0017]本专利技术中采取的入射线偏振光垂直照射超表面结构，根据所选择的入射中心波长，对介质柱进行结构参数扫描和优化，通过改变圆柱硅的尺寸能得到所需的补偿相位，并且实现高透过率，保证结构选择与传播相位相结合的方法能控制入射光的波前和消除色差；
[0018]本专利技术中的基于介质超表面的偏振非依赖宽带消色差器件，另一方面是实现了连续带宽范围内的消色差，较以往器件而言，大大减小了体积与成本。
附图说明
[0019]图1为本专利技术的结构示意图；
[0020]图2为本专利技术的色散示意图；
[0021]图3为本专利技术的相位分布图；
[0022]图4和图5为本专利技术中三种原型结构的物理分析；
[0023]图6为本专利技术中偏振不敏感BAML的相位分布图；
[0024]图中：1、基底层；2、单圆柱；3、环形柱；4、同心柱。
具体实施方式
[0025]在本专利技术的描述中，除非另有说明，术语“上”“下”“左”“右”“前”“后”等指示的方位或位置关系仅是为了描述本专利技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或结构必须具有特定的方位，因此不能理解为对本专利技术的限制。此外，术语“第一”“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0026]如图1所示，本专利技术所述的一种偏振非依赖型超透镜包括基底层和在基底层上构建超表面阵列的超单元，其中，所述超单元包括单圆柱、环形柱及同心柱，所述基底层的材质采用CaF2，所述单圆柱、环形柱及同心柱均为Si纳米结构，且所述单圆柱、环形柱及同心柱的高度H为4.5μm，所述超单元中的所述单圆柱、环形柱及同心柱的外直径保持一致，所述构建超表面阵列的超单元之间的距离为1.8μm。
[0027]所述偏振非依赖型超透镜通过传播相位和补偿相位相结合的方式控制入射线偏振光的波前和消除色差，首先，利用传播相位作为聚焦相位，入射线偏振光垂直照射超单元，入射波长范围为3.7
‑
4.7μm，通过传播相位的原理选择所述超单元控制入射线偏振光的波前，使在选定的中心波长处进行聚焦；其次，通过所述超单元中三种不同类型结构获得需要的不同补偿相位值，保证在选取的入射波长范围内，补偿相位与入射波长的倒数呈线性关系，以消除在中心波长外的入射波长处的色差效应；进一步地，所述偏振非依赖型超透镜的相位分布的公式φ(x，λ)＝(2πλ)ne
ff
H，其中，n
eff
表示纳米结构的有效折射率，与纳米结构的半径密切相关，H表示超单元中各结构的高度。
[0028]原理说明：
[0029]首先，如图3所示，从目前来说要实现宽带消色差超透镜，其相位分布的公式为：
[0030][0031]其中，
[0032]其中，式(1)和(2)中λ0是限定的中心波长，本实施例中即λ0选定为4.2μm，因此宽带消色差超透镜只有当和同时被满足时才能实现；第一项是在参考波长λ0处的无色散相位，即如图2所示；第二项是工作波长的函数，与1/λ线性相关，称为补偿相位。
[0033]简而言之，根据和两个相位设计沿着x轴摆放的宽带消色差超透镜的超单元，然此法仅对具有偏振依赖性的超透镜是可行的，限制了消色差超表面器件的发展。
[0034]为此，在本实施例中超单元使用了新的纳米结构以此实现偏振不敏感的宽带消色差超透镜，具体为：采用在氟化钙(CaF2)基板上放置硅(Si)纳米结构的介质超表面平台，每个Si纳米结构的高度为H＝4.5μm；其中，选择CaF2作为基底是因其在设计波长下具有低折射率(n＝1.4)和低吸收损耗的特性；对于设计的结构，给定空间坐标x处的相位为φ(x，λ)＝(2πλ)n
eff
H，其中n
eff
表示纳米结构的有效折射率，与纳米结构的半径密切相关；在上述中，超单元的子类由三种原型形状构成，即单圆柱、环形柱及同心柱，每种原型的平面几何参数都是可变的，且每个超单元之间的距离为p＝1.8μm，在本实施例中，可通过改变每种原型的相关半径来控制它们的光学响应，由于各结构的对称性，保证了消色差超透镜是偏振不敏感的。本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种偏振非依赖型超透镜，其特征在于，包括基底层(1)和在基底层上构建超表面阵列的超单元，所述超单元包括单圆柱(2)、环形柱(3)及同心柱(4)；所述偏振非依赖型超透镜通过传播相位和补偿相位相结合的方式控制入射线偏振光的波前和消除色差；其中，利用传播相位作为聚焦相位，入射线偏振光垂直照射超单元，入射波长范围为3.7
‑
4.7μm，通过传播相位的原理选择所述超单元控制入射线偏振光的波前，使在选定的中心波长处进行聚焦；其中，通过所述超单元中三种不同类型结构获得需要的不同补偿相位值，保证在选取的入射波长范围内，补偿相位与入射波长的倒数呈线性关系，以消除在中心波长外的入射波长处的色差效应。2.根据权利要求1所述的偏振非依赖型超透镜，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭忠义，郭凯，康乾龙，周红平，陈蕾，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：