[发明专利]一种内部含有结构化纳米粒子的光学元件及其制造方法

说明书

一种内部含有结构化纳米粒子的光学元件及其制造方法，光学元件包括母体，母体内部设有纳米粒子，纳米粒子呈可控的三维结构化排布，利用纳米粒子与母体透光率、反射率、折射率参数的不同，实现对可见光的聚焦等调制；制造方法是先确定入射波长、母液和纳米粒子，然后确定光学元件对光路的调制方式，再通过仿真计算出纳米粒子应有的周期型排列方式，然后将纳米粒子置于母液中，搅拌或超声波水浴使纳米粒子在母液中均匀分布；再将结构场施于含有纳米粒子的母液，对纳米粒子进行操控，实现纳米粒子在母液中可控的三维结构化排布；最后将母液固化成型为母体，得到内部含有结构化纳米粒子的光学元件；本发明具有可设计性、调制简单、成本低等优点。

技术领域

本发明属于微纳制造纳米结构技术领域，特别涉及一种内部含有结构化纳米粒子的光学元件及其制造方法。

背景技术

随着光学技术的发展，光学透镜作为一种很典型的光学器件得到了越来越广泛的应用。在几何光学框架下,传统光学成像透镜受到严格几何关系限制,需要依赖透镜表面形状和天然的光学材料来实现折反射成像,导致光学透镜设计自由度低、体积质量大,不利于光电子技术及应用的集成化、轻量化和微型化发展需求。随着纳米制备技术的发展,光学成像技术则再次迎来了新的飞跃。通过在透镜表面上做一些微纳结构可以实现在纳米尺度下的精准光场调控,包括波长、振幅、相位、偏振等。与传统光学透镜相比,由纳米结构组成的平面透镜,结合了传统光学成像技术与现代光学超材料技术,具有调控自由度高、光学特性丰富、轻量化和集成化程度高等明显的优势。

虽然在透镜表面做微纳结构具有重量轻，厚度极薄等优点，但其所使用的材料大多为金属或高折射率介质材料,如金和硅,其在表面做微结构的工艺需要经历涂胶、曝光、显影、刻蚀等光刻步骤，步骤繁琐，所需材料成本高。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种内部含有结构化纳米粒子的光学元件及其制造方法，具有可设计性、调制简单、成本低等优点。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种内部含有结构化纳米粒子的光学元件，包括母体，母体内部设有纳米粒子，纳米粒子呈可控的三维结构化排布，三维结构化排布通过仿真计算预先设计，利用纳米粒子与母体透光率、反射率、折射率参数的不同，实现对可见光的聚焦、发散、反射或衍射的调制。

所述的母体通过母液固化而成，母液为可光固化的树脂类材料，或可热固化的有机聚合物类材料。

所述的纳米粒子是粒径为100nm—30μm的绝缘的磁性粒子，或在磁场中能够被磁化的胶体粒子，或在电场中能够被极化的介电粒子。

所述的纳米粒子是二氧化硅粒子、聚苯乙烯粒子或聚苯烯小球。

所述的纳米粒子的三维结构化排布通过改变光学元件的结构场参数来操控。

所述的纳米粒子的三维结构化排布的具体形式为直线型、弧面型、半球面形或正四面体型。

所述的内部含有结构化纳米粒子的光学元件厚度为20μm-50mm。

所述的一种内部含有结构化纳米粒子的光学元件的制造方法，包括以下步骤：

1)在可见光380nm-780nm波长范围内确定入射波长λ，在粘度1×10^-3Pa·s—2×10¹Pa·s范围内选择母液，选择纳米粒子，确定光学元件对光路的调制方式；

2)根据选择的母液、纳米粒子，通过仿真计算出纳米粒子应有的周期型排列方式；

3)将纳米粒子置于母液中，搅拌或超声波水浴使纳米粒子在母液中均匀分布；

4)将结构场施于含有纳米粒子的母液，对纳米粒子进行操控，实现纳米粒子在母液中可控的三维结构化排布；