本技術(shù)屬于超構(gòu)透鏡與微納加工領(lǐng)域。具體地，本技術(shù)涉及具有高度梯度納米結(jié)構(gòu)的消色差超構(gòu)透鏡及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、透鏡能夠通過光程差的積累將光聚焦在特定的焦平面上，實現(xiàn)光學(xué)成像、測試等功能。然而，傳統(tǒng)的透鏡厚度與體積較大，難以在小型化、集成化的設(shè)備中產(chǎn)生應(yīng)用。

2、基于廣義斯涅耳定律實現(xiàn)的超構(gòu)透鏡，僅通過相位梯度便可實現(xiàn)光場的聚焦，具有超薄、性能可設(shè)計、易于其他設(shè)備集成的特點，有望徹底顛覆現(xiàn)有光學(xué)設(shè)備的設(shè)計思路與應(yīng)用范疇，并推動虛擬/增強現(xiàn)實、可集成成像系統(tǒng)、飛行時間(tof)探測器、醫(yī)用內(nèi)窺鏡等多種設(shè)備的更新迭代。然而，在超構(gòu)透鏡的設(shè)計中，寬波段范圍內(nèi)微納結(jié)構(gòu)相位調(diào)制特性與透鏡的相位需求不匹配，導(dǎo)致超構(gòu)透鏡具有明顯的色差現(xiàn)象，即不同波長下透鏡具有不同的焦距。色差的存在，導(dǎo)致超構(gòu)透鏡難以實用在大量的場景中。因此，實現(xiàn)消色差功能是解決目前超表面應(yīng)用困難的根本途徑。因此，通過結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)角帶來的幾何相位(pb相位)與結(jié)構(gòu)尺寸帶來的傳輸相位能夠?qū)崿F(xiàn)消色差透鏡。不難發(fā)現(xiàn)，消色差功能需要透鏡中的納米結(jié)構(gòu)在寬波段范圍內(nèi)滿足嚴(yán)苛的相位要求，而納米結(jié)構(gòu)通常只在平面方向具有可控的結(jié)構(gòu)參數(shù)，相位調(diào)制能力有限，這導(dǎo)致了消色差超構(gòu)透鏡往往只具有不足100μm的直徑，其依然難以實際應(yīng)用在日常生活中。

3、因此，提高納米結(jié)構(gòu)的可控自由度，實現(xiàn)納米結(jié)構(gòu)的相位調(diào)制水平，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計出大面積的消色差超構(gòu)透鏡是現(xiàn)階段必須解決的問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、超構(gòu)透鏡相比于傳統(tǒng)透鏡具有厚度超薄、性能可設(shè)計以及易于集成的優(yōu)勢，從而在醫(yī)用內(nèi)窺鏡、tof深度傳感器、手機鏡頭等小微型光學(xué)成像系統(tǒng)中具有非常廣闊的應(yīng)用前景。然而，受限于納米結(jié)構(gòu)只具有沿平面的可控自由度，使得其相位調(diào)制能力受限，導(dǎo)致超構(gòu)透鏡面臨非常嚴(yán)重的色差。雖然可以基于平面結(jié)構(gòu)實現(xiàn)消色差超構(gòu)透鏡，但是其在工作波段、工作效率等多個方面依然有難以解決的問題。而實現(xiàn)納米結(jié)構(gòu)高度梯度的調(diào)控，提高納米結(jié)構(gòu)的相位調(diào)制能力，并突破高度可調(diào)納米結(jié)構(gòu)的加工瓶頸，是實現(xiàn)高性能消色差超構(gòu)透鏡的有效途徑。

2、本發(fā)明基于pb相位與傳輸相位排布以及灰度納米加工方法，提出了一種具有高度梯度納米結(jié)構(gòu)的消色差超構(gòu)透鏡的設(shè)計與加工方法，具有納米結(jié)構(gòu)高度梯度可調(diào)，消色差聚焦性能可設(shè)計的特點。

3、本發(fā)明的目的在于提供一種具有高度梯度納米結(jié)構(gòu)的消色差超構(gòu)透鏡，其具有改善的納米結(jié)構(gòu)的可控自由度、改善的納米結(jié)構(gòu)的相位調(diào)制水平，以及消色差波段更寬。

4、本發(fā)明的上述目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的。

5、在本發(fā)明中，術(shù)語“高度梯度納米結(jié)構(gòu)”是指在高度上形成梯度的納米結(jié)構(gòu)。

6、在本發(fā)明中，術(shù)語“周期”是指相鄰納米結(jié)構(gòu)單元之間的間距。

7、一方面，本發(fā)明提供一種具有高度梯度納米結(jié)構(gòu)的消色差超構(gòu)透鏡，其中，所述消色差超構(gòu)透鏡包括襯底和置于所述襯底之上的高度梯度納米結(jié)構(gòu)；

8、所述高度梯度納米結(jié)構(gòu)由周期排列的納米結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成，并且所述納米結(jié)構(gòu)單元中的至少兩個的長、寬、高和轉(zhuǎn)角參數(shù)中的至少之一是不同的。

9、優(yōu)選地，在本發(fā)明所述的具有高度梯度納米結(jié)構(gòu)的消色差超構(gòu)透鏡中，所述納米結(jié)構(gòu)單元的長為50-400nm。

10、優(yōu)選地，在本發(fā)明所述的具有高度梯度納米結(jié)構(gòu)的消色差超構(gòu)透鏡中，所述納米結(jié)構(gòu)單元的寬為50-400nm。

11、優(yōu)選地，在本發(fā)明所述的具有高度梯度納米結(jié)構(gòu)的消色差超構(gòu)透鏡中，所述納米結(jié)構(gòu)單元的高大于0且小于等于1μm。

12、優(yōu)選地，在本發(fā)明所述的具有高度梯度納米結(jié)構(gòu)的消色差超構(gòu)透鏡中，所述納米結(jié)構(gòu)單元的轉(zhuǎn)角為0-360°。

13、優(yōu)選地，在本發(fā)明所述的具有高度梯度納米結(jié)構(gòu)的消色差超構(gòu)透鏡中，所述納米結(jié)構(gòu)單元的周期為300-1000nm。

14、優(yōu)選地，在本發(fā)明所述的具有高度梯度納米結(jié)構(gòu)的消色差超構(gòu)透鏡中，所述納米結(jié)構(gòu)是從所述襯底向上延伸的長方體凸起。

15、另一方面，本發(fā)明提供一種制備本發(fā)明的具有高度梯度納米結(jié)構(gòu)的消色差超構(gòu)透鏡的方法，其包括以下步驟：

16、(1)在襯底上形成光刻膠層；

17、(2)利用灰度曝光技術(shù)依據(jù)曝光版圖曝光所述光刻膠層，然后進行顯影以形成具有不同深度的光刻膠納米孔的殘余光刻膠層；

18、(3)利用介質(zhì)材料填充所述光刻膠納米孔以形成介質(zhì)材料層；所述介質(zhì)材料層包括位于所述光刻膠納米孔內(nèi)的介質(zhì)材料部分和位于所述殘余光刻膠層和已填充有介質(zhì)材料的光刻膠納米孔之上的介質(zhì)材料部分；

19、(4)從所述襯底上整體剝離所述殘余光刻膠層和介質(zhì)材料層；

20、(5)將剝離后的所述殘余光刻膠層和介質(zhì)材料層轉(zhuǎn)移到透明襯底；

21、(6)去除所述殘余光刻膠層和殘余光刻膠層所應(yīng)對位置處的介質(zhì)材料部分，以在所述透明襯底表面形成高度梯度納米結(jié)構(gòu)；

22、其中，所述曝光版圖是通過包括以下步驟的方法進行設(shè)計的：

23、(i)預(yù)設(shè)消色差超構(gòu)透鏡的基本參數(shù)，所述基本參數(shù)包括工作波段、焦距、半徑以及高度梯度納米結(jié)構(gòu)的周期；

24、(ii)利用所述基本參數(shù)依據(jù)廣義斯涅耳定律推算不同波長下的消色差超構(gòu)透鏡的相位分布，并按照預(yù)設(shè)的高度梯度納米結(jié)構(gòu)的周期對相位分布進行像素化近似；

25、(iii)基于幾何相位原理設(shè)計最大波長處的高度梯度納米結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)角，其中轉(zhuǎn)角數(shù)值為相位大小的1/2；

26、(iv)預(yù)設(shè)高度梯度納米結(jié)構(gòu)的長、寬和高的取值范圍；在所述取值范圍內(nèi)變化高度梯度納米結(jié)構(gòu)的長、寬和高以形成大量的高度梯度納米結(jié)構(gòu)的構(gòu)型參數(shù)庫；利用數(shù)值仿真對構(gòu)型參數(shù)庫中的結(jié)構(gòu)進行模擬，以獲得傳輸相位，進而形成高度梯度納米結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)尺寸與相位一一對應(yīng)的光學(xué)性能庫；所述結(jié)構(gòu)尺寸包括高度梯度納米結(jié)構(gòu)的長、寬和高；

27、(v)利用所述傳輸相位對消色差超構(gòu)透鏡非最大波長處的相位進行補償，根據(jù)消色差超構(gòu)透鏡上任意位置所需的相位大小，在所述光學(xué)性能庫中選取滿足要求的高度梯度納米結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)尺寸，最終使所有波長下的相位與所需相位一致，輸出實際所需的高度梯度納米結(jié)構(gòu)的位置、長、寬、高和轉(zhuǎn)角參數(shù)，完成消色差超構(gòu)透鏡的設(shè)計；

28、(vi)將步驟(v)輸出的實際所需的高度梯度納米結(jié)構(gòu)的位置、長、寬、高和轉(zhuǎn)角參數(shù)轉(zhuǎn)化為曝光版圖。

29、在本發(fā)明中，術(shù)語“像素化近似”是指將連續(xù)分布的相位按照結(jié)構(gòu)周期分為多個區(qū)域，并以區(qū)域中心位置的相位近似為該區(qū)域整體的相位，其中一個相位相同的區(qū)域可以看作是一個像素。

30、優(yōu)選地，在本發(fā)明所述的方法中，所述透明襯底為熔融石英、藍寶石片、由網(wǎng)格支撐的sinx薄膜材料窗口或者由網(wǎng)格支撐的sio2薄膜材料窗口。在某些實施方案中，透明襯底可以是能為消色差超構(gòu)透鏡支撐的任意材料。

31、優(yōu)選地，在本發(fā)明所述的方法中，所述消色差超構(gòu)透鏡的工作波段為400nm-2500nm波段中的一段，優(yōu)選為400nm-800nm。

32、優(yōu)選地，在本發(fā)明所述的方法中，所述焦距為50μm-10mm。

33、優(yōu)選地，在本發(fā)明所述的方法中，所述半徑為小于焦距的值，更優(yōu)選為20μm-5mm。

34、優(yōu)選地，在本發(fā)明所述的方法中，所述傳輸相位為0-2π。

35、優(yōu)選地，在本發(fā)明所述的方法中，高度梯度納米結(jié)構(gòu)的高度信息以曝光劑量因子的方式存儲于曝光版圖中。曝光版圖為存儲了超構(gòu)透鏡中結(jié)構(gòu)單元位置、長、寬、轉(zhuǎn)角、高度信息的矢量圖。

36、優(yōu)選地，在本發(fā)明所述的方法中，所述灰度曝光技術(shù)是通過改變曝光劑量實現(xiàn)不同殘膠厚度的電子束曝光技術(shù)或紫外曝光技術(shù)。

37、優(yōu)選地，在本發(fā)明所述的方法中，所述介質(zhì)材料為tio2、al2o3或hfo2。

38、優(yōu)選地，在本發(fā)明所述的方法中，所述步驟(3)中的位于所述殘余光刻膠層和已填充有介質(zhì)材料的光刻膠納米孔之上的介質(zhì)材料部分的厚度為8-200nm。

39、優(yōu)選地，在本發(fā)明所述的方法中，所述步驟(4)中的剝離是通過濕法腐蝕去除襯底或利用pdms轉(zhuǎn)移進行的。

40、優(yōu)選地，在本發(fā)明所述的方法中，所述步驟(6)中的去除所述殘余光刻膠層是通過基于有機溶液的浸泡溶解或基于氧等離子體的刻蝕進行的。

41、優(yōu)選地，在本發(fā)明所述的方法中，所述步驟(6)中的去除殘余光刻膠層所應(yīng)對位置處的介質(zhì)材料部分是通過反應(yīng)離子刻蝕方法進行的。

42、在某些實施方案中，本發(fā)明的消色差超構(gòu)透鏡的直徑可以為20μm-5mm。

43、本發(fā)明具有以下有益效果：

44、1)將納米結(jié)構(gòu)的高度作為可調(diào)參數(shù)引入到消色差超構(gòu)透鏡的設(shè)計中，大大提高了納米結(jié)構(gòu)單元的相位調(diào)制能力，有助于設(shè)計出面積更大、消色差波段更寬的超構(gòu)透鏡；

45、2)將灰度曝光技術(shù)引入消色差超構(gòu)透鏡的加工中，可以實現(xiàn)多種材料的高度可調(diào)的納米結(jié)構(gòu)，為高度梯度超構(gòu)透鏡的微納加工提供了可行的方案；

46、3)相比與傳統(tǒng)的超構(gòu)透鏡，本發(fā)明的超構(gòu)透鏡擁有厚度超薄、性能可設(shè)計、易集成的優(yōu)勢，可以應(yīng)用在多種緊湊、小型化的成像系統(tǒng)中。相比于其他消色差透鏡的設(shè)計與加工方法，本發(fā)明涉及的超構(gòu)透鏡至少具有以下優(yōu)勢：(i)傳統(tǒng)超構(gòu)透鏡結(jié)構(gòu)單元只具有一致的高度，而本發(fā)明的超構(gòu)透鏡具有可調(diào)的高度梯度，大大提高了透鏡相位準(zhǔn)確性與設(shè)計面積；(ii)傳統(tǒng)依賴平面加工工藝的超構(gòu)透鏡加工只能實現(xiàn)等高的納米結(jié)構(gòu)，而灰度曝光方法的引入則實現(xiàn)了高度梯度結(jié)構(gòu)的加工；(iii)相比于傳統(tǒng)的超構(gòu)透鏡，由微納結(jié)構(gòu)形成的超構(gòu)透鏡，具有小體積、易集成的優(yōu)勢。