一种强度可调谐的红外波段平面超透镜及其调节方法技术

本发明专利技术公开了一种强度可调谐的红外波段平面超透镜及其调节方法，包括顶层、反射层和衬底。顶层由左右单元数量对称的圆柱形单元阵列组成，多个圆柱形单元半径r从中心往两边递减，反射层由相变材料VO2组成，衬底由电介质构成。本发明专利技术可实现在红外波段不同环境温度下的动态聚焦，在保证焦距和聚焦效率基本不变的情况下实现对焦点强度的连续调节。本发明专利技术在红外全息、成像与探测等领域具有广泛应用前景。成像与探测等领域具有广泛应用前景。成像与探测等领域具有广泛应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种强度可调谐的红外波段平面超透镜及其调节方法


[0001]本专利技术属于超表面
，具体涉及一种强度可调谐的红外波段平面超透镜及其调节方法。

技术介绍

[0002]传统透镜利用材料的折射率和电磁波在其传输过程中的相位累计以实现对波束的控制，具有体积大、不易于集成的显著缺点。平面超透镜是一种由亚波长单元构成并独立控制入射电磁波相位来达到聚焦功能的成像透镜。与传统透镜相比，平面超透镜的体积小、成本低、便于集成。近年来，通过在设计中结合相变材料，平面超透镜还具备了主动调控性能，功能更加广泛。例如文献一(BaiW,YangP,HuangJ,etal.Near
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infraredtunablemetalensbasedonphasechange materialGe2Sb2Te5[J].Scientificreports,2019,9(1):1
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9.)报道了一种与相变材料Ge2Sb2Te5结合的平面超透镜，当Ge2Sb2Te5由非晶态转向晶态时，在不考虑其他性能的情况下其聚焦效率提高了15倍。然而Ge2Sb2Te5改变相态的方式相对麻烦，需要在衬底上额外增加一层导电层来切换Ge2Sb2Te5的工作状态。同时由于P
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B相移，导致超透镜在聚焦过程中存在一定的色差。相比而言，相变材料VO2的低相变温度可以有效解决上述问题。通过调节温度，VO2可以经历在低温绝缘相到高温金属相的转变。例如文献二(ChenW,ChenR,ZhouY,etal.Aswitchable metasurfacebetweenmeta
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lensandabsorber[J].IEEEPhotonicsTechnologyLetters,2019,31(14):1187
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1190.)报导了一种与VO2结合的多功能平面超透镜，通过温度的改变可以实现对入射光的聚焦和吸收两种功能的切换。但缺点在于引入了P
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B相导致器件对光线偏振的敏感，从而导致聚焦效率不是很高。此外，焦点处强度可调谐的平面超透镜具有重要的应用价值，然而到目前为止还未有报道。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于提出一种强度可调谐的红外波段平面超透镜及其调节方法。
[0004]一种强度可调谐的红外波段平面超透镜，所述平面超透镜自上而下包括顶层、反射层和衬底，
[0005]所述顶层为一阵列结构，由多个圆柱形单元组成，呈中心对称排布，多个圆柱形单元半径r从中心往两边递减，相邻圆柱形单元单元的间距为P，圆柱形单元的材料为Ge；
[0006]所述的反射层相变材料为VO2。
[0007]进一步地，所述的衬底由电介质SiO2构成。
[0008]进一步地，圆柱形单元的半径r范围为10～300nm。
[0009]进一步地，P＝1～10μm。
[0010]进一步地，圆柱形单元的高度h为0.1～1.8μm。
[0011]进一步地，所述的反射层厚度t1为10～70nm。
[0012]进一步地，电介质SiO2的厚度为0.2～1μm。
[0013]一种根据上述的强度可调谐的红外波段平面超透镜的焦点强度连续调节的方法，
改变相变材料VO2的温度从30℃到100℃变化，从而实现对焦点强度的连续调节。
[0014]本专利技术的优点是：
[0015]本专利技术提出的红外波段平面超透镜实现了在温度从30℃到100℃变化时对焦点强度的连续可调，其结构更简单、聚焦效率高、调谐方便、稳定性好以及无偏振依赖性。
附图说明
[0016]图1是本专利技术强度可调谐的红外波段平面超透镜结构示意图。
[0017]图2为本专利技术强度可调谐的红外波段平面超透镜的实施例1效果图。
[0018]图3为本专利技术强度可调谐的红外波段平面超透镜的实施例2效果图
具体实施方式
[0019]为了便于说明，下面将结合附图对本专利技术的具体实施方式进行详细说明：
[0020]如图1所示，本专利技术提出的一种强度可调谐的红外波段平面超透镜，其自上而下的结构包括顶层、反射层和衬底。顶层为圆柱形Ge阵列，由多个圆柱形单元组成，呈中心对称排布，多个圆柱形单元半径r从中心往两边递减，相邻圆柱形单元单元的间距为P，圆柱形单元高度为h；反射层由VO2薄膜组成，厚度为t1；衬底为SiO2，厚度为t2。
[0021]本专利技术工作原理是：当入射波通过单个Ge圆柱时会引起透过相位的变化，通过改变Ge圆柱的半径使整个结构的透射相位变化能覆盖0～2π，从而使入射光束在特定位置处聚焦，这一工作机理和目前普遍采用P
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B相作为调控相位的方法是完全不同的。当器件处于低温状态下时(约30℃)，位于反射层的VO2薄膜处于绝缘相，此时器件的透过率高，可以产生最高的聚焦强度。当器件处于高温状态下时(约100℃)，位于反射层的VO2薄膜过渡到金属相，此时器件的透过率大幅度降低，但同时焦点和聚焦效率基本不变。因此，可以通过改变温度在30℃到100℃变化实现对焦点强度的连续调节。此外，温度的调节相对于电压调节具有更好的便捷性和稳定性。
[0022]实施例1
[0023]相邻单元的间距P为0.5μm，Ge圆柱高度h为1.5μm，半径r从最边上60nm逐渐增加到中心245nm，两边一共45个圆柱。VO2薄膜厚度t1为70nm，SiO2衬底厚度t2为650nm，透镜的理论设计焦距为20μm，对应工作波长为2.7μm。
[0024]本专利技术的实施效果可以通过以下仿真结果进一步说明：
[0025]图2是本实施例一种强度可调谐的红外波段平面超透镜的工作效果图。如(a)图和(b)图所示，当工作环境温度为30℃时，所设计的平面超透镜对2.7μm波长线偏振光实现了明显地聚焦，焦距为19.35μm，与理论设计焦距误差为3.3％。入射光整体透过率为76％，中心焦点处半高宽为2.26μm，聚焦效率高达82.9％。如(c)图和(d)图所示，当工作环境温度为100℃，平面超透镜的焦距保持不变，整体透过率下降到10％，中心焦点处半高宽为2.19μm，聚焦效率为86.3％。进一步地，以工作环境温度为30℃时的聚焦强度为最大值进行归一化，如(e)图所示，当工作环境温度在30℃到100℃之间变化时，平面超透镜的归一化强度可以从1连续调节到0.2左右。因此，通过本实施例可以表明本专利技术提出的平面超透镜在保持聚焦效率基本一致的情况下，可以实现聚焦强度的动态调谐。
[0026]实施例2
[0027]相邻单元的间距P为0.6μm，Ge圆柱高度h为1.6μm，半径r从最边上60nm逐渐增加到中心270nm，两边一共41个圆柱。VO2薄膜厚度t1为70nm，SiO2衬底厚度t2为650nm，透镜的理论设计焦距为25μm，对应工作波长为2.7μm。
[0028]本专利技术的实施效果可以通过以下仿真结果进一步说明：
[0029]图3是本实施例一种强度可调谐本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种强度可调谐的红外波段平面超透镜，所述平面超透镜自上而下包括顶层、反射层和衬底，其特征在于：所述顶层为一阵列结构，由多个圆柱形单元组成，呈中心对称排布，多个圆柱形单元半径r从中心往两边递减，相邻圆柱形单元单元的间距为P，圆柱形单元的材料为Ge；所述的反射层相变材料为VO2，衬底为电介质。2.根据权利要求1所述的强度可调谐的红外波段平面超透镜，其特征在于，所述的衬底由电介质SiO2构成。3.根据权利要求2所述的强度可调谐的红外波段平面超透镜，其特征在于，圆柱形单元的半径r范围为10～300nm。4.根据权利要求3所述的强度可调谐的红外波...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋立勇，张煜然，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：