基于介質(zhì)材料的平面透鏡單元、平面透鏡及制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及集成光學(xué)領(lǐng)域，尤其涉及基于介質(zhì)材料的平面透鏡。
【背景技術(shù)】
[0002]在光學(xué)系統(tǒng)中，通常需要表面彎曲的鏡子也就是球面透鏡來聚焦和成像。傳統(tǒng)透鏡一般是利用玻璃或者是硅膠材料等來制備，在幾何形狀上是邊緣薄中間厚或者是邊緣厚兩端薄的曲面。球面透鏡是光學(xué)成像最簡單的光學(xué)元件，為了實(shí)現(xiàn)大視場孔徑光學(xué)系統(tǒng)和獲得大的數(shù)值孔徑，必須把透鏡制作很大，這樣得到的透鏡質(zhì)量和體積都會(huì)很大。
[0003]在代替?zhèn)鹘y(tǒng)的透鏡技術(shù)中，有一種是菲涅耳透鏡。相比傳統(tǒng)的球面透鏡，菲涅耳透鏡通過將透鏡劃分為一系列理論上無數(shù)多個(gè)同心圓紋路(即菲涅耳帶)達(dá)到相同的光學(xué)效果，節(jié)省了材料的用量。
[0004]超構(gòu)表面是二維的超材料技術(shù)，三維的超材料被拓展到了二維結(jié)構(gòu)，通過二維的微小電散射體或空腔的陣列排布于基體材料表面或介質(zhì)界面獲得一種新型的超材料。利用超構(gòu)表面對電磁波的相位調(diào)控，可以在平面上制備光學(xué)透鏡。
[0005]在光學(xué)系統(tǒng)中，球面像差是發(fā)生在經(jīng)過球面透鏡折射或面鏡反射的光線，接近中心與靠近邊緣的光線不能將影像聚集在一個(gè)點(diǎn)上的現(xiàn)象。這在望遠(yuǎn)鏡和其他的光學(xué)儀器上都是一個(gè)缺點(diǎn)。這是導(dǎo)致球面透鏡和反射面鏡必須滿足所需的形狀，否則不能聚焦在一個(gè)點(diǎn)上造成的。在透鏡系統(tǒng)中，可以使用凸透鏡和凹透鏡的組合來減少球面像差，就如同使用非球面透鏡一樣。但是透鏡組往往結(jié)構(gòu)復(fù)雜，通常需要八至十幾片光學(xué)元件，這樣一方面導(dǎo)致光學(xué)系統(tǒng)的透過率低，另外在空間和體積上增大無法滿足集成要求。
[0006]使用普通的凸透鏡，會(huì)出現(xiàn)邊角變暗、模糊的現(xiàn)象，這是因?yàn)楣獾恼凵渲话l(fā)生在介質(zhì)的交界面，凸透鏡片較厚，光在玻璃中直線傳播的部分會(huì)使得光線衰減。如果可以去掉直線傳播的部分，只保留發(fā)生折射的曲面，便能省下大量材料同時(shí)達(dá)到相同的聚光效果。菲涅耳透鏡就是采用這種原理的。菲涅耳透鏡看上去像一片有無數(shù)多個(gè)同心圓紋路(即菲涅耳帶)的玻璃，卻能達(dá)到凸透鏡的效果，如果投射光源是平行光，匯聚投射后能夠保持圖像各處亮度的一致。菲涅耳透鏡是一個(gè)更先進(jìn)的減少透鏡體積與重量的解決方案，它通過引入了一個(gè)漸進(jìn)的階梯相位使得它在徑向方向聚焦光更有效率。通過有效的限制吸收損失和收集斜入射光線，菲涅耳透鏡在光學(xué)系統(tǒng)中具有大數(shù)值孔徑的優(yōu)勢。為了保證具有一個(gè)光滑連續(xù)的球面相位分布實(shí)現(xiàn)光波聚焦，菲涅耳透鏡的厚度至少等于有效波長。此外，菲涅耳透鏡的厚度需要制造成連續(xù)的錐形，這個(gè)使得在制造方面變得極其復(fù)雜。
[0007]要制造像差校正的光學(xué)透鏡，通常它需要復(fù)雜的優(yōu)化技術(shù)如非球面形狀或多鏡頭設(shè)計(jì)，這類技術(shù)制造成本昂貴而且得到的光學(xué)器件非常笨重。
[0008]在現(xiàn)代光學(xué)中，實(shí)現(xiàn)對光傳播的完全控制是目前一個(gè)重要研宄方向。為了實(shí)現(xiàn)這樣的控制，需要?jiǎng)?chuàng)造出應(yīng)具有O到231相位調(diào)制和實(shí)現(xiàn)控制光振幅的器件。在傳統(tǒng)光學(xué)元器件中如雙折射波片和球面透鏡，對于不同偏振態(tài)或不同空間的光束需要一個(gè)顯著的傳播距離以獲取不同相位積累，因此制備這類傳統(tǒng)器件需要較厚的材料，但是這樣的器件難以嵌入到集成光學(xué)系統(tǒng)。集成問題的解決方案之一是使用反射和透射天線陣列。這種方法最初被用于微波頻率和毫米波頻率，使用單個(gè)或幾個(gè)超薄天線層實(shí)現(xiàn)對電磁波振幅和相位的控制。在微波頻率和毫米波頻率區(qū)域，通過頻率選擇表面反射陣列獲得對電磁波相位的局域控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)平面透鏡替代傳統(tǒng)透鏡的設(shè)計(jì)。例如在反射陣列中，散射單元內(nèi)包含的金屬天線與局域平面耦合可以在入射光和散射光之間產(chǎn)生一個(gè)任意的相移。隨著位置的變化同時(shí)改變天線的幾何參數(shù)，這些天線陣列可以在空間上實(shí)現(xiàn)對光相位的控制。最近，類似的材料，在光學(xué)頻率段實(shí)現(xiàn)同樣的效應(yīng)，這種材料被稱為超構(gòu)表面。超構(gòu)表面利用非對稱的電偶極子諧振機(jī)理對偏振方向垂直于入射光偏振方向的散射光相位實(shí)現(xiàn)了 O到2 JT的完全控制。如在透射陣列中一樣，隨著位置改變諧振天線的幾何參數(shù)可以在亞波長厚的薄層內(nèi)實(shí)現(xiàn)對光波波陣面的任意控制。這類的超構(gòu)表面已經(jīng)被呈現(xiàn)應(yīng)用于異常折射，四分之一和二分之一波片，透鏡和軌道角動(dòng)量的控制。
[0009]目前超構(gòu)表面的構(gòu)成材料主要是金屬材料。由金屬材料構(gòu)成的等離子體激元機(jī)制超構(gòu)表面的缺點(diǎn)是這類金屬結(jié)構(gòu)通常具有金屬歐姆損耗和在入射波與反射波之間的弱耦合效應(yīng)，因此這類超構(gòu)表面的效率很低?？梢岳枚鄬踊蛘吆穸却蟮某瑯?gòu)表面實(shí)現(xiàn)電諧振和磁諧振的疊加，進(jìn)而增加超構(gòu)表面的工作效率，但是同時(shí)這些方法都增加制備材料的復(fù)雜層度和體積。在另外的一種方案中，可以利用金屬天線陣列和一個(gè)反射鏡面在亞波長薄膜內(nèi)引入多次反射實(shí)現(xiàn)高效率的異常反射和線性傳輸轉(zhuǎn)換。雖然這類方案避免了制備的復(fù)雜層度，但是由于金屬的歐姆損耗仍然限制了這種金屬構(gòu)成的超構(gòu)表面的工作效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]為了解決現(xiàn)有技術(shù)中問題，本發(fā)明提供了一種基于介質(zhì)材料的平面透鏡單元，單元包括高折射率介質(zhì)材料組成的天線、二氧化硅填充層、銀鏡和二氧化硅基底，其中頂層是天線結(jié)構(gòu)，中間一層是二氧化硅填充層，底部是銀鏡和基底材料，其中天線的寬度尺寸a =21Onm至290nm,天線的長度尺寸b = 350nm至390nm，二氧化娃填充層、銀鏡和二氧化娃基底的長度和寬度相等，記為P，周期P = 680±10nm,天線結(jié)構(gòu)厚度h= 400±5nm，二氧化娃填充層厚度t2= 200±5nm，銀層厚度13= 150±20nm。
[0011]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述天線為硅、碲、鍺或氧化鋁中的一種。
[0012]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，其包括以中心對稱分布的平面透鏡單元，平面透鏡單元的天線在X軸上呈周期分布，在Y軸上以y = O為對稱中心對稱分布，對稱中心右邊的分布序號為1、1、2、3、4、5、6、1、3、5、6，對應(yīng)的天線編號的幾何參數(shù)為:天線I的參數(shù)a =280±2nm, b = 380±2nm ;天線 2 的參數(shù) a = 270±2nm, b = 350±2nm ;天線 3 的參數(shù) a =240±2nm, b = 360±2nm ;天線 4 的參數(shù) a = 210±2nm, b = 370±2nm ;天線 5 相對于天線2順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90° ;天線6相對于天線4順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°。
[0013]上述所述的基于介質(zhì)材料的平面透鏡單元的制備方法為:
[0014]第一步是利用電子束蒸鍍方法在二氧化硅基底上覆蓋一層銀膜，然后在銀膜表面上繼續(xù)用電子束蒸鍍覆蓋填充層二氧化硅和硅膜；
[0015]第二步是在硅膜上旋涂光刻膠，然后用電子束曝光技術(shù)完成光刻膠的刻蝕和顯影；
[0016]第三步是采用反應(yīng)離子束刻蝕技術(shù)實(shí)現(xiàn)對硅膜的刻蝕；
[0017]第四步是經(jīng)過剝離過程得到最終的納米硅天線。
[0018]本發(fā)明的有益效果是:
[0019]超構(gòu)表面柱面鏡的優(yōu)勢如下:
[0020]1、該結(jié)構(gòu)在近紅外波段實(shí)現(xiàn)了光波聚焦，而且相對于金屬結(jié)構(gòu)超構(gòu)表面透鏡1%左右的效率，這種介質(zhì)材料結(jié)構(gòu)可以提高一個(gè)數(shù)量級的聚焦效率，因此具有很高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。在特定頻率入射光的照射下，該平面對電磁場的聚焦效率可達(dá)30%以上，更利于信號的聚焦成像。
[0021]2、該結(jié)構(gòu)尺寸小，厚度薄。從結(jié)構(gòu)的參數(shù)來看，超材料的厚度可以達(dá)到800nm級別，對于微納米光子學(xué)器件可利用性高。
[0022]尺寸小:超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)厚度在亞波長級別，更加有利于集成光學(xué)中的應(yīng)用。
【附圖說明】
[0023]圖1是本發(fā)明結(jié)構(gòu)單元的三維示意圖；
[0024]圖2是本發(fā)明結(jié)構(gòu)單元的俯視圖；
[0025]圖3是本發(fā)明結(jié)構(gòu)單元