一种基于仿生蛾眼结构的保偏宽谱聚焦中红外超构透镜制造技术

本发明专利技术公开的基于仿生蛾眼结构的保偏宽谱聚焦中红外超构透镜，包括基板和排布在基板的同一表面的蛾眼型超构透镜结构，基板能透过3.1～8.0μm波段的宽谱中红外光，蛾眼型超构透镜结构由以阵列形式间隔排布的多个仿生蛾眼型微纳结构单元组成，每个仿生蛾眼型微纳结构单元由硫系玻璃制成，每个仿生蛾眼型微纳结构单元的结构参数由顶部曲率半径R、底部直径D和高度H组成，R、D和H满足关系式：该超构透镜可以对任意偏振方向的中红外宽谱入射光执行保偏出射和宽谱聚焦，在垂直入射和斜入射情况下，均能产生聚焦效应，并且在斜入射情况下相比现有其他超构透镜具有更好的聚焦效果，为发展保偏、宽谱和角度不敏感微型光学器件和成像系统铺平了道路。件和成像系统铺平了道路。件和成像系统铺平了道路。

A polarization maintaining wide spectrum focusing mid infrared super lens based on bionic moth eye structure

【技术实现步骤摘要】
一种基于仿生蛾眼结构的保偏宽谱聚焦中红外超构透镜


[0001]本专利技术涉及透镜领域，具体涉及一种基于仿生蛾眼结构的保偏宽谱聚焦中红外超构透镜。

技术介绍

[0002]透镜是一种基础光学元件，在成像、精密测量以及光通信等科学与工业领域中起着至关重要的作用。传统光学透镜经过切割、打磨表面、精抛光和镀膜等系列复杂程序制作而成。一般而言，传统透镜具有体积大、成本高和重量大等不足。近年来超构透镜作为新兴技术，解决了传统透镜的上述不足。
[0003]超构透镜是一种由平面化微纳结构构成的微型光学成像器件，可以对入射光的偏振、振幅和相位进行灵活调控，为集成光学器件提供了一个有前途的平台。与笨重的传统光学透镜相比，超构透镜具有平面化、体积小、成本低、易于集成等优点。因此，超构透镜具有降低现有相机、显示器等光学器件尺寸和复杂度的潜力，在增强现实、虚拟现实、医学等领域显示出广阔的应用前景。超构透镜的工作机制主要基于三种相位调控方案，即贝里相位(Adv.Mater.27(7),1195
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1200,2015)、共振相位(Science 340(6130),331
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334,2013)和传播相位(Science 352(6290),1190
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1194,2016)。贝里相位又称几何相位，贝里相位方案非常简单，并具有抗制造误差的鲁棒性，但是这种方案仅适用于圆偏振光并产生具有相反圆偏振的输出光。共振相位方案具有相位和振幅联合调控的能力，但是这种方案仅适用于线性偏振光并产生具有交叉偏振的输出光。贝里相位方案和共振相位方案存在偏振敏感、透过率低和窄谱调控的问题。传播相位方案中，相位调控依赖于光程差，这使得传播相位方案具有宽谱调控的潜力，但是输出光的偏振特性还没有研究。由于材料的偏振敏感性，偏振对于许多光学应用至关重要，探索在任意偏振入射下的保偏(即，出射光的偏振方向与入射光偏振方向保持一致)聚焦具有重要意义。
[0004]中红外(Mid
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infrared,MIR)波段(3.1～8.0μm)覆盖了大气窗口的透明区域和大多数分子的特征指纹光谱。它在生物传感、高精度热成像、分子检测等方面具有巨大的应用潜力。然而，对于构建中红外宽谱超构透镜的微结构的研究仍然比较少。现有研究表明，工作在传播相位模式下的圆柱型超构透镜(Nano Lett.16(11),7229,2016)和方型超构透镜(Nano Lett.17(3),1819,2017)对可见光具有较好的聚焦效果，但是这两种结构用于中红外聚焦还没有报道。同时，探索除圆柱型超构透镜和方型超构透镜之外的中红外超构透镜也具有重要意义。

技术实现思路

[0005]本专利技术针对现有技术的不足，提供一种基于仿生蛾眼结构的保偏宽谱聚焦中红外超构透镜，用以解决现有贝里相位型超构透镜和共振相位型超构透镜的偏振敏感、透过率低和窄谱聚焦的问题，中红外宽谱入射光在透过本专利技术超构透镜的表面时能够形成聚焦，且本专利技术超构透镜可以对任意偏振方向的中红外宽谱入射光执行保偏出射和宽谱聚焦。此
外，本专利技术中红外超构透镜在垂直入射和斜入射情况下，均能产生聚焦效应，并且在斜入射情况下相比圆柱型超构透镜和方型超构透镜具有更好的聚焦效果，为发展保偏、宽谱和角度不敏感微型光学器件和成像系统铺平了道路。
[0006]本专利技术解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种基于仿生蛾眼结构的保偏宽谱聚焦中红外超构透镜，包括基板和排布在所述的基板的同一表面的蛾眼型超构透镜结构，所述的基板能透过3.1～8.0μm波段的宽谱中红外光，所述的蛾眼型超构透镜结构由以阵列形式间隔排布的多个仿生蛾眼型微纳结构单元组成，每个所述的仿生蛾眼型微纳结构单元由硫系玻璃制成，每个所述的仿生蛾眼型微纳结构单元的结构参数由顶部曲率半径R、底部直径D和高度H组成，R、D和H满足关系式：
[0007]在自然界中，蛾眼具有非常精细的微/纳米结构，具有抗反射功能。本专利技术中红外超构透镜利用以阵列形式间隔排布的多个仿生蛾眼型微纳结构单元，在基板的一面形成蛾眼型超构透镜结构，该多个仿生蛾眼型微纳结构单元的表面构成超构透镜表面，入射宽谱光在透过超构透镜表面时能够形成聚焦。本专利技术中红外超构透镜的蛾眼型超构透镜结构可以对从基板的一侧进入的任意偏振方向的中红外宽谱入射光进行波前整形，使出射宽谱光产生聚焦效应并保持出射光的偏振方向与入射光的偏振方向相同。相比于现有圆柱型超构透镜和方型超构透镜，本专利技术中红外超构透镜在垂直入射和斜入射情况下，均能产生聚焦效应，并且在斜入射情况下具有更好的聚焦效果。本专利技术为发展保偏、宽谱和角度不敏感微型光学器件和成像系统铺平了道路。
[0008]作为优选，所述的蛾眼型超构透镜结构由同圆心的一个圆形超结构阵列和多个圆环形超结构阵列组成，所述的多个圆环形超结构阵列依次排布在所述的圆形超结构阵列的外围，所述的圆形超结构阵列和多个圆环形超结构阵列分别由多个仿生蛾眼型微纳结构单元组成，所述的圆形超结构阵列中的仿生蛾眼型微纳结构单元的结构参数完全相同，每个所述的圆环形超结构阵列包括呈同心圆排布的多圈仿生蛾眼型微纳结构单元，不同圆环形超结构阵列的圈数不同，同一圈上的仿生蛾眼型微纳结构单元的结构参数完全相同，沿同一圆环形超结构阵列的径向向外的不同圈上的仿生蛾眼型微纳结构单元的底部直径依次减小，从所述的圆形超结构阵列的最外圈开始并沿该中红外超构透镜的径向向外，相邻的两圈中：外圈上的仿生蛾眼型微纳结构单元的数量多于内圈上的仿生蛾眼型微纳结构单元的数量，且外圈上的仿生蛾眼型微纳结构单元的数量与内圈上的仿生蛾眼型微纳结构单元的数量之比等于外圈所在的圆周的周长与内圈所在的圆周的周长之比。
[0009]作为优选，所述的圆环形超结构阵列的数量至少为4个。
[0010]本专利技术基于仿生蛾眼结构的保偏宽谱聚焦中红外超构透镜设计时，所设计的仿生蛾眼型微纳结构单元构成的阵列只要满足宽谱波段的中间波长的聚焦便能实现宽谱波段的聚焦，即只要满足宽谱波段的中间波长5.1μm的聚焦便能实现宽谱波段3.1～8.0μm的聚焦。作为优选，该保偏宽谱聚焦中红外超构透镜的设计方法为：根据该保偏宽谱聚焦中红外超构透镜的目标焦距，确定其表面不同空间位置处的相位，相位的取值范围为0到2π，通过相位与仿生蛾眼型微纳结构单元的结构参数及排列周期P的一一对应关系确定的仿生蛾眼型微纳结构单元的排布，即构成所述的蛾眼型超构透镜结构。
[0011]作为优选，每个相位与仿生蛾眼型微纳结构单元的结构参数及排列周期P的一一
对应关系采用有限元方法并利用COMSOL Multiphysics软件计算得到。
[0012]入射光在本专利技术中红外超构透镜的仿生蛾眼型微纳结构单元内部传输过程中的波导效应会产生相应的相位累积，通过改变仿生蛾眼型微纳结构单元的结构参数和排列周期，便可以调控相应的相位累积，进而对出射光产生0到2π范围内的全相位调控。进一步地，当仿生蛾眼型微纳结构单元的高度H和排列周期P确定时，通过改变仿生蛾眼型微纳结构单元的底部直径D可本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于仿生蛾眼结构的保偏宽谱聚焦中红外超构透镜，其特征在于，包括基板和排布在所述的基板的同一表面的蛾眼型超构透镜结构，所述的基板能透过3.1～8.0μm波段的宽谱中红外光，所述的蛾眼型超构透镜结构由以阵列形式间隔排布的多个仿生蛾眼型微纳结构单元组成，每个所述的仿生蛾眼型微纳结构单元由硫系玻璃制成，每个所述的仿生蛾眼型微纳结构单元的结构参数由顶部曲率半径R、底部直径D和高度H组成，R、D和H满足关系式：2.根据权利要求1所述的一种基于仿生蛾眼结构的保偏宽谱聚焦中红外超构透镜，其特征在于，所述的蛾眼型超构透镜结构由同圆心的一个圆形超结构阵列和多个圆环形超结构阵列组成，所述的多个圆环形超结构阵列依次排布在所述的圆形超结构阵列的外围，所述的圆形超结构阵列和多个圆环形超结构阵列分别由多个仿生蛾眼型微纳结构单元组成，所述的圆形超结构阵列中的仿生蛾眼型微纳结构单元的结构参数完全相同，每个所述的圆环形超结构阵列包括呈同心圆排布的多圈仿生蛾眼型微纳结构单元，不同圆环形超结构阵列的圈数不同，同一圈上的仿生蛾眼型微纳结构单元的结构参数完全相同，沿同一圆环形超结构阵列的径向向外的不同圈上的仿生蛾眼型微纳结构单元的底部直径依次减小，从所述的圆形超结构阵列的最外圈开始并沿该中红外超构透镜的径向向外，相邻的两圈中：外圈上的仿生蛾眼型微纳结构单元的数量多于内圈上的仿生蛾眼型微纳结构单元的数量，且外圈上的仿生蛾眼型微纳结构单元的数量与内圈上的仿生蛾眼型微纳结构单元的数量之比等于外圈所在的圆周的周长与内圈所在的圆周的周长之比。3.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：王炳霞，沈祥，周孔思，
申请(专利权)人：宁波大学，
类型：发明
国别省市：