基于空间分区复用几何相位原理的制造技术

一种基于空间分区复用几何相位原理的

【技术实现步骤摘要】
基于空间分区复用几何相位原理的RGB消色差超透镜结构


[0001]本公开涉及微纳光学
，尤其涉及一种基于空间分区复用几何相位原理的
RGB
消色差超透镜结构
。

技术介绍

[0002]随着
21
世纪光学技术的飞速发展，光学系统的集成化
、
小型化
、
轻量化成为了当前最迫切的需求，现有的光学设计技术和微纳加工技术已经可以使这一需求成为现实
。
[0003]超表面是一种由亚波长单元构成的二维平面结构，电磁波与超表面上的亚波长单元相互作用，从而产生对振幅
、
相位
、
偏振以及波长的调控，在光波控制方面具有前所未有的优势，能够满足光学系统的集成化
、
小型化
、
轻量化
。
虽然现有的超透镜已很好的实现聚焦效果，但是在实际应用中，能够进行消色差成像的超透镜更具有吸引力并且有着急切的市场需求
。
[0004]在成像设备中，色差的存在也一直是困扰研究人员的一大问题，色差导致透镜无法将不同波长的光聚焦到同一平面上，进而出现成像模糊和颜色失真的现象，如何在显示应用中消除色差实现彩色成像至关重要
。
[0005]目前，人们通过用空间复用
、
传播相位与几何相位
(P
‑
B
相位
)
相结合
、
利用等效折射率理论等方法手段实现超透镜的消色差成像，例如利用独立超表面的密集垂直叠加设计的消色差超透镜，其通过多个独立超表面的相位调制单元，实现消除色差彩色成像；基于空间复用光调制技术的超透镜；双结构消色差超透镜和带孔结构消色差超透镜
。
[0006]由此可见，现有技术中这些消色差超透镜都是基于传输相位原理设计的，或者是基于传播相位原理与几何相位原理
(P
‑
B
相位原理
)
相结合设计的，还没有单独基于几何相位原理的
RGB(
红绿蓝
)
消色差超透镜
。
基于传输相位原理超透镜的单元结构尺寸变化类型多，结构尺寸差异大，需要采用复杂结构才能实现消色差，因此其总体结构复杂，不同尺寸刻蚀速率不同使其阵列结构的工艺一致性难以保证，工艺难度大，难以实现大面积
。
而基于几何相位原理实现
RGB
消色差的超透镜，具有工艺简单
、
设计简单
、
利于大面积制造的优点，在实际应用中，结构简单和工艺易于控制对超透镜至关重要，因此研究基于几何相位原理的结构简单和工艺易于实现的消色差超透镜具有重要的科学意义以及实用价值，在数字成像系统
、
虚拟现实显示
、
高分辨率显微镜等领域具有应用前景
。
[0007]因此，如何基于几何相位原理实现
RGB
消色差超透镜，解决现有消色差超透镜结构复杂
、
工艺难度大和难以实现大面积的问题，成为目前急需解决的重要技术问题
。

技术实现思路

[0008](
一
)
要解决的技术问题
[0009]有鉴于此，本公开的主要目的在于提供一种基于空间分区复用几何相位原理的
RGB
消色差超透镜结构，以解决现有基于传输相位原理的消色差超透镜结构复杂
、
工艺难度大和难以实现大面积的问题
。
[0010](
二
)
技术方案
[0011]根据本公开的一个方面，提供了一种基于空间分区复用几何相位原理的
RGB
消色差超透镜结构，包括：支撑基底；形成于该支撑基底上的隔离层；以及形成于该隔离层上的超透镜结构材料层；其中，该超透镜结构材料层分布有三种基于空间分区复用并满足几何相位原理的纳米结构单元阵列，第一纳米结构单元阵列位于超透镜中心半径为
R1的圆形区域，用于对
RGB
入射光中的蓝光
B
进行聚焦；第二纳米结构单元阵列位于超透镜中心半径为
R1与
R2之间的圆环区域，用于对
RGB
入射光中的绿光
G
进行聚焦；第三纳米结构单元阵列位于超透镜中心半径为
R2与
R3之间的圆环区域，用于对
RGB
入射光中的红光
R
进行聚焦；其中，
R1＜
R2＜
R3，且第一至第三纳米结构单元阵列的焦距或焦点一致，能够实现对入射光束的消色差聚焦
。
[0012]上述方案中，所述第一至第三纳米结构单元阵列的相位分布满足以下条件：
[0013][0014]其中，为该超透镜结构的相位，包括第一区域相位
、
第二区域相位和第三区域相位，第一区域相位即超透镜中心半径为
R1的圆形区域的蓝光相位，第二区域相位即超透镜中心半径为
R1与
R2之间的圆环区域的绿光相位，第三区域相位即超透镜中心半径为
R2与
R3之间的圆环区域的红光相位；
(x
，
y)
为该超透镜结构上的位置坐标，
f
为该超透镜结构的焦距，
λ
b
为蓝光波长，
λ
g
为绿光波长，
λ
r
为红光波长，
r
为纳米结构单元阵列中各纳米结构单元距超透镜中心的距离
。
[0015]上述方案中，所述第一至第三纳米结构单元阵列中的纳米结构单元，其剖面采用长方形纳米柱
、
椭圆形纳米柱
、
长方形纳米孔或椭圆形纳米孔中的至少一种
。
[0016]上述方案中，所述纳米结构单元中纳米柱采用的材料或纳米孔的外部材料是采用可见光材料，包括高折射率介质材料
、
高介电常数的可见光波段介质材料或半导体材料
。
[0017]上述方案中，所述高折射率介质材料采用
Si、SiN、SiO2、HfO2、a
‑
Si、TiO2或
GaN。
[0018]上述方案中，所述第一至第三纳米结构单元阵列中的纳米结构单元采用的形状或尺寸相同或不同，通过改变纳米柱或纳米孔的方向来改变纳米结构单元相位的几何相位原理实现消色差聚焦
。
[0019]上述方案中，所述第一至第三纳米结构单元阵列中的纳米结构单元是通过满足各自相位旋转方向的几何相位原理对入射光的相位进行调制，使焦距或焦点一致，从而实现对入射光束的消色差聚焦
。
[0020]上述方案中，所述支撑基底系采用介质材料，包括
Si、GaAs、
透明玻璃
、
石英玻璃或蓝宝石...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于空间分区复用几何相位原理的
RGB
消色差超透镜结构，其特征在于，包括：支撑基底；形成于该支撑基底上的隔离层；以及形成于该隔离层上的超透镜结构材料层；其中，该超透镜结构材料层分布有三种基于空间分区复用并满足几何相位原理的纳米结构单元阵列，第一纳米结构单元阵列位于超透镜中心半径为
R1的圆形区域，用于对
RGB
入射光中的蓝光
B
进行聚焦；第二纳米结构单元阵列位于超透镜中心半径为
R1与
R2之间的圆环区域，用于对
RGB
入射光中的绿光
G
进行聚焦；第三纳米结构单元阵列位于超透镜中心半径为
R2与
R3之间的圆环区域，用于对
RGB
入射光中的红光
R
进行聚焦；其中，
R1＜
R2＜
R3，且第一至第三纳米结构单元阵列的焦距或焦点一致，能够实现对入射光束的消色差聚焦
。2.
根据权利要求1所述的基于空间分区复用几何相位原理的
RGB
消色差超透镜结构，其特征在于，所述第一至第三纳米结构单元阵列的相位分布满足以下条件：其中，为该超透镜结构的相位，包括第一区域相位
、
第二区域相位和第三区域相位，第一区域相位即超透镜中心半径为
R1的圆形区域的蓝光相位，第二区域相位即超透镜中心半径为
R1与
R2之间的圆环区域的绿光相位，第三区域相位即超透镜中心半径为
R2与
R3之间的圆环区域的红光相位；
(x
，
y)
为该超透镜结构上的位置坐标，
f
为该超透镜结构的焦距，
λ
b
为蓝光波长，
λ
g
为绿光波长，
λ
r
为红光波长，
r
为纳米结构单元阵列中各纳米结构单元距超透镜中心的距离
。3.
根据权利要求1所述的基于空间分区复用几何相位原理的
RGB
消色差超透镜结构，其特征在于，所述第一至第三纳米结构单元阵列中的纳米结构单元，其剖面采用长方形纳米柱
、
椭圆形纳米柱
...

【专利技术属性】
技术研发人员：毛旭，余钢，赵永梅，魏博，申超，杨香，杨富华，王晓东，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：