[发明专利]一种中红外偏振无关宽带消色差超透镜及其构造方法

说明书

本发明涉及一种中红外偏振无关宽带消色差超透镜及其构造方法，所述超透镜包括基底和排布在所述基底上的单元结构，所述单元结构的相位变化随入射光的角频率呈线性变化，所述单元结构用于调节所述超透镜的入射光的相位。本发明通过在基底上排布相位变化随着入射光角频率呈线性变化的单元结构，在超构透镜表面获得双曲相位分布，达到聚焦效果，且聚焦性能对入射光的频率不敏感，达到宽带消色差的效果。

技术领域

本发明属于人工微结构材料领域，具体涉及，尤其涉及一种中红外偏振无关宽带消色差超透镜及其构造方法。

背景技术

传统光学元件在宽带入射光下存在色差问题，即折射透镜具有正色散、衍射透镜具有负色散效应，色散效应将降低聚焦效率和成像质量。传统的消色差设计存在光学系统复杂、难以获得宽带消色差的效果等问题。近年来随着超表面在光场调控方面的研究深入，基于超表面原理设计的超构透镜，具有较高的调控自由度、超薄的厚度以及亚波长尺寸结构，在便于集成化和微型化光学元件的同时，实现宽带的消色差聚焦。目前已有在可见光、近红外和太赫兹波段的宽带消色差超透镜研究，红外观察和监控也需要中红外波段的消色差聚焦透镜，因此实现覆盖整个中红外波段的偏振无关宽带消色差透镜设计很有意义。

Wang等人在2017年，提出了集成共振消色差的新方法，并设计了工作于近红外波段的宽带消色差超表面器件。利用不同的金纳米棒的组合构成多种结构单元，结构单元的旋转角附带的几何相位得到入射光的聚焦相位，在共振峰之间区域相位随着入射光频率平坦线性变化得到色差相位，两者结合实现宽带消色差功能。

Wang等人在2018年基于相近的原理，设计了可见光波段范围内的消色差透射式超透镜。使用半导体材料GaN，在可见光波段高透过率、高折射率，具有相较金属材质的超透镜拥有更高的转化效率，并将这样的消色差超透镜运用到可见光成像中。

Shrestha等人在2018年设计了工作于近红外1200-1650nm波段的偏振无关超透镜，利用几何对称的结构单元，通过改变结构单元的几何参数，实现特定的相位变化。建立不同形状、大小的结构单元库，从中挑选在宽工作波段上的相位随着入射光频率线性变化的结构单元，达到消色差效果。

Fan等人在2019年设计了偏振无关的可见光波段消色差超透镜，并组成超透镜阵列用于可见光成像。使用GaN作为透镜材料，SiO₂为基底，设计了直径为14μm的超透镜，焦距约为81.5μm，数值孔径大小为0.086，能够在430-780nm内消色差。

Ndao等人在2020年设计了渔网状的偏振无关超透镜，其实现了从640nm-1200nm超长波段的消色差聚焦功能。文中透镜的材料使用TiO₂，并采用SiO₂作为基底，在全波段实现消色差聚焦的同时，保持了接近70％的聚焦效率。

现有技术中，通过几何相位的调控实现聚焦，要求入射偏振光为圆偏振光，增加了光学系统的复杂度，不利于透镜聚焦效率提高。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种中红外偏振无关宽带消色差超透镜及其构造方法，在设计单元结构的尺寸与形状时，通过计算其宽带相位响应，获得了相位变化随着入射光频率是线性变化的单元结构。通过精细排布不同参数的单元结构，在超构透镜表面获得双曲相位分布，达到聚焦效果，且聚焦性能对入射光的频率不敏感，达到宽带消色差的效果。

根据本发明的一个方面，本发明提供了一种中红外偏振无关宽带消色差超透镜，所述超透镜包括基底和排布在所述基底上的单元结构，所述单元结构的相位变化随入射光的角频率呈线性变化，所述单元结构用于调节所述超透镜的入射光的相位。

优选地，所述单元结构的相位变化为其中，

ω表示入射光角频率，c表示真空中光速，f为透镜的焦距，r₀表示透镜的最大半径，r为透镜从中心到边缘不同位置处的距离。