宽带消色差聚焦与偏振调控的微结构波带片及设计方法技术

本发明专利技术公开了一种宽带消色差聚焦与偏振调控的微结构波带片及设计方法，包括基底和基底上方的多个同心设置的波带片结构，所述波带片结构高度各异，所述波带片结构上表面沿波带片圆周单排排列有微结构阵列，同一个波带片结构上的微结构阵列高度相同，不同波带片结构上的微结构阵列高度各异，微结构阵列中的每一个组成部分的横向尺寸小于波带片结构的横向尺寸。本发明专利技术可以实现可见光至长波红外波段超宽波段的消色差聚焦；并且可以实现对任一波长偏振态的调控；本发明专利技术兼具宽带消色差聚焦与偏振调控功能，对于超宽光谱成像探测、目标识别、偏振成像领域具有重要的实用价值。振成像领域具有重要的实用价值。振成像领域具有重要的实用价值。

【技术实现步骤摘要】
宽带消色差聚焦与偏振调控的微结构波带片及设计方法


[0001]本专利技术涉及电磁波调控
，具体是一种宽带消色差聚焦与偏振调控的微结构波带片及设计方法。

技术介绍

[0002]随着现代制造技术的发展，诞生了以二元光学元件为代表的多种多样的微光学元件，大大拓展了光学元件应用的领域。菲涅尔波带片作为应用最广泛的的微光学元件，自1871年被Lord Rayleigh提出之后就引起了持续关注。这种波带片由基底和多个设置于基底上的同心的波带片结构组成，每两个相邻波带片结构到焦点的光程差都是波长的一半，因此所有波带片结构所形成的衍射光场可以在焦平面上叠加增强，对光束起到聚焦作用。
[0003]菲涅尔波带片的设计是通过调节每个波带片结构的宽度实现对光程差的调制，进而实现聚焦。受限于这样的调制方法，由于波带片结构的宽度一定，不同波长的光波经过菲涅尔波带片的光程差不同，会聚焦于不同的位置，因此，会产生色差，导致成像质量不高。此外，波长越短，对应的波带片结构的宽度越窄，为实现短波长的聚焦，菲涅尔波带片的最窄波带片结构的宽度需要设置为几十个纳米，这给制造带来了很大难度。而且，受限于光程差的调制原理，菲涅尔波带片难以实现对光波偏振状态的调控。

技术实现思路

[0004]本专利技术要提供一种宽带消色差聚焦与偏振调控的微结构波带片及设计方法，以解决现有技术无法同时实现宽光谱消色差聚焦和对光波偏振状态进行调控的问题。
[0005]为了达到本专利技术的目的，本专利技术采用的技术方案是：一种宽带消色差聚焦与偏振调控的微结构波带片，包括基底和基底上方的多个同心设置的波带片结构，所述波带片结构高度各异，所述波带片结构上表面沿波带片圆周单排排列有微结构阵列，同一个波带片结构上的微结构阵列高度相同，不同波带片结构上的微结构阵列高度各异，微结构阵列中的每一个组成部分的横向尺寸小于波带片结构的横向尺寸。
[0006]进一步的，上述基底、波带片结构与微结构阵列的材料是氧化硅、氮化硅、氧化钛、硅、锗或砷化镓。
[0007]进一步的，上述微结构阵列中的每一个组成部分是圆柱型或矩形块型。
[0008]上述宽带消色差聚焦与偏振调控的微结构波带片的设计方法，包括以下步骤：
[0009]第一步：基于衍射理论并结合数值迭代计算方法，给定所需焦距、光斑尺寸、元件口径和每个波带片结构的宽度，逆向求解波带片结构与微结构阵列作为一个整体单元的复合结构的总高度。
[0010]第二步，求解一个整体单元的复合结构的尺寸参数：以第一步得到的复合结构的总高度作为限制条件，分别设置波带片结构与微结构阵列的高度，波带片结构与微结构阵列的总高度与第一步得到的复合结构的总高度保持一致；在高度确定后，调节微结构阵列的长宽，通过参数扫描方法得到不同尺寸复合结构的出射光波的y与x方向位相差值，挑选
出满足光波偏振状态调控的参数；
[0011]第三步：重复上述步骤二，求解出每一个复合结构的尺寸参数，构建出宽带消色差聚焦与偏振调控的微结构波带片。
[0012]与现有技术相比，本专利技术的有益效果体现在：
[0013]1、本专利技术将菲涅尔波带片调节波带宽度改变光程差的工作方式转变为对波带片结构高度的调节，通过高度变化实现对光波位相的调控，结合数值迭代计算方法，可以实现可见光至长波红外波段(0.4～11μm)超宽波段的消色差聚焦。
[0014]2、本专利技术将波带片结构和微结构阵列作为一个整体，通过调节结构高度、微结构阵列的长宽，可以实现对任一光波偏振状态的调控。
[0015]3、所提供的设计方法设计自由度显著提升，根据对应的波长，可以灵活调节波带片结构与微结构阵列的尺寸。与菲涅尔波带片由内而外波带片的宽度逐渐变窄不同，本方法的底部波带片结构的宽度一致，利于制造。顶部的微结构阵列的高度、长度和宽度都可以调节，针对任意的波长，可以实现位相的精确调控，设计的自由度大。
附图说明：
[0016]图1为本专利技术的结构示意图；
[0017]图2为图1的局部示意图；
[0018]图3为焦点平面与元件平面的坐标轴对应关系图；
[0019]图4为一种近红外波段的宽带消色差聚焦与偏振调控的微结构波带片的整体高度限制分布图；
[0020]图5为一种近红外波段的微结构波带片的复合结构单元的出射光波y与x方向的位相差分布图；
[0021]图6为一种近红外波段的微结构波带片的复合结构单元的透射率分布图；
[0022]图7为一种近红外波段的宽带消色差聚焦与偏振调控的微结构波带片的高度分布图；
[0023]图8为一种近红外波段的宽带消色差聚焦与偏振调控的微结构波带片的宽带消色差聚焦效果图；
[0024]图9为一种近红外波段的宽带消色差聚焦与偏振调控的微结构波带片沿元件剖面方向的电场强度分布图；
[0025]图10为一种近红外波段的宽带消色差聚焦与偏振调控的微结构波带片的焦斑尺寸随波长变化的分布图；
[0026]图11为一种近红外波段的宽带消色差聚焦与偏振调控的微结构波带片的聚焦效率随波长变化的分布图；
[0027]图12为一种近红外波段的复宽带消色差聚焦与偏振调控的微结构波带片的出射光波y与x方向的位相差分布图；
[0028]图13为一种中波红外波段的宽带消色差聚焦与偏振调控的微结构波带片的结构示意图；
[0029]图14为一种中波红外波段的宽带消色差聚焦与偏振调控的微结构波带片的聚焦效果图；
[0030]图15为一种中波红外波段的宽带消色差聚焦与偏振调控的微结构波带片的焦斑尺寸随波长变化的分布图；
[0031]图16为一种中波红外波段的宽带消色差聚焦与偏振调控的微结构波带片的聚焦效率随波长变化的分布图；
[0032]图17为一种中波红外波段的宽带消色差聚焦与偏振调控的微结构波带片的出射光波y与x方向的位相差分布图。
具体实施方式
[0033]下面结合具体实施例对本专利技术进行进一步描述，但本专利技术的保护范围并不仅限于此。
[0034]本专利技术提供的一种宽带消色差聚焦与偏振调控的微结构波带片，参见图1，包括氧化硅(SiO2)基底、基底上方的16个波带片结构(底部结构)和波带片结构上部设置的微结构阵列(顶部结构)。所述同一个波带片结构高度相同，不同波带片结构高度各异。所述波带片结构上表面沿波带片圆周单排排列有微结构阵列，同一个波带片结构上的微结构阵列高度相同，不同波带片结构上的微结构阵列高度各异。微结构阵列中的每一个组成部分的横向尺寸小于波带片结构的横向尺寸。
[0035]实施例1，针对0.7～0.8μm波段，参见图2，微结构阵列中的每一个组成部分是横截面为正方形的矩形块型。
[0036]本实施例的设计方法，步骤如下：
[0037]第一步，基于衍射理论，给定所需焦距、光斑尺寸、元件口径和波带片的每个波带片结构的宽度，逆向求解波带片结构与微结构阵列作为一个整体单元的复合结构的总高度。
[0038]第本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种宽带消色差聚焦与偏振调控的微结构波带片，包括基底和基底上方的多个同心设置的波带片结构，其特征在于：所述波带片结构高度各异，所述波带片结构上表面沿波带片圆周单排排列有微结构阵列，同一个波带片结构上的微结构阵列高度相同，不同波带片结构上的微结构阵列高度各异，微结构阵列中的每一个组成部分的横向尺寸小于波带片结构的横向尺寸。2.根据权利要求1所述的宽带消色差聚焦与偏振调控的微结构波带片，其特征在于：所述基底、波带片结构与微结构阵列的材料是氧化硅、氮化硅、氧化钛、硅、锗或砷化镓。3.根据权利要求1或2所述的宽带消色差聚焦与偏振调控的微结构波带片，其特征在于：所述微结构阵列中的每一个组成部分是圆柱型或矩形块型。4.一种宽带消色差聚焦与偏振调控的微结构波...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘卫国，葛少博，杨鹏飞，张进，周顺，孙雪平，蒲欣欣，
申请(专利权)人：西安工业大学，
类型：发明
国别省市：