[发明专利]基于三维立体微结构的反射式超透镜及其制备方法

说明书

本发明在三维立体人工微结构的基础上，利用相位设计调控的方法，提出一种基于三维立体微结构的宽带消色差单焦距超透镜，可实现宽带消色差和将同一偏振方向的反射光聚焦到同一空间位置。进一步，本发明还提出一种基于三维立体微结构的宽带消色差可变双焦距超透镜，对于不同偏振方向的入射光，可以利用同一个样品结构实现不同焦距的无色差聚焦功能，并且，只需要改变偏振光的入射方向，便可以实现不同焦点位置的转换。

技术领域

本发明属于光电功能器件与材料制备技术领域，具体涉及通过三维立体微结构单元的设计和空间排布，在可见光-近红外波段范围同时实现宽带消色差功能和单/双焦距聚焦的光学功能。

背景技术

透镜是具有极其广泛应用的最基本光学元器件，各种功能型号的透镜被大量应用在科研和工业生产的诸多领域。随着现代光电技术的发展，微型化和集成化成为了光学元件设计的重要研究发展方向。传统的基于光学晶体的透镜设计方案由于其光调控的物理机理使得器件的体积较大，在应用上受到限制。如果要进一步减小光学元件尺寸，提高光学系统的集成度，则不能再依靠传统光学晶体调控的思路，需要一种新的设计方案。近年来利用人工微结构，特别是利用超表面方案开展的超透镜研究将透镜元件的体积缩小到了光波长尺度，并且已经成功实现了多种光学功能。

虽然超透镜方案显示出了巨大的优势和潜力，在超透镜设计方案中依然有两个问题需要解决。一是和传统透镜一样，基于超表面设计的超透镜往往具有色散，也就是对于不同波长的光，其调控性质不同，表现在不同波长的光经过透镜的偏折之后具有不同的偏折角度，进而导致不同波长的光焦点位置不同。第二是超透镜的功能集成度有限，往往一个透镜仅能实现单一的光学功能，如需要实现不同焦点的聚焦功能或者焦点可变的功能，就需要利用多个光学器件叠加，或者在光学系统中引入光学元件的机械运动，这样不仅增加了器件的体积,提高了器件设计和制备的复杂度与成本，同时也降低了光学器件的可靠性和稳定性。

对于以上两个问题，目前已经有一些解决方案的报道，例如，为了实现消色差的功能，将多个具有不同工作波段且具有相同焦距的子透镜组合到一起，形成一个多结构复合透镜，这种通过子透镜组合形成的复合透镜对于子透镜的多个工作波长具有消色差的功能；此外还有报道通过将超表面几何相位与法布里波罗振荡这两种调制方法相结合，彼此的色散相互抵消，也可以实现消色差的功能。但这些消色差设计大多存在效率低、波段不连续的缺点，譬如基于子透镜组合原理工作的消色差超透镜往往只能对几个离散的特定波长实现消色差功能，而基于几何相位方法原理工作的超透镜往往只能针对某一特定手性的圆偏振光实现消色差功能，对偏振模式要求较高，并且这些消色差设计几乎都不能实现多种光学功能譬如双焦距功能的集成。为了实现双焦距功能，现有方案可以将同一块透镜的不同空间位置设计为不同焦距，以实现将照射在透镜上的光线实现不同位置的聚焦，但这样的设计往往无法实现不同焦距的转换。当透镜制备完成后，聚焦到两个焦点的光强度比值便已确定，而无法实现选择转换功能。而到目前为止，能够同时实现可见至近红外波段消色差功能和可变双焦距功能的超透镜依然是空白。

发明内容

为进一步促进超透镜设计的实用性，本发明在三维立体人工微结构的基础上，利用相位设计调控的方法，提出一种基于三维立体微结构的宽带消色差单焦距超透镜，可实现宽带消色差和将同一偏振方向的反射光聚焦到同一空间位置。进一步，本发明还提出一种基于三维立体微结构的宽带消色差可变双焦距超透镜，对于不同偏振方向的入射光，可以利用同一个样品结构实现不同焦距的无色差聚焦功能，并且，只需要改变偏振光的入射方向，便可以实现不同焦点位置的转换。