[发明专利]一种基于人工微结构超表面构造超薄光学透镜的方法

摘要

本发明公开了一种基于人工微结构超表面构造超薄光学透镜的方法。本发明包括如下步骤步骤(1)在600nm～20um的可见光到中红外的波长带宽范围内，选择需要的工作波长。入射光照射人工微结构超表面，根据所需要出射的聚焦点的位置，计算出人工微结构超表面上的相位分布。步骤(2)以一定的周期设计旋转对称的周期性结构，将得到的相位梯度分布结合表面上的周期性结构单元确定具体的相位值；步骤(3)选择确定高度的柱状结构作为人工微结构超表面的基本单元，根据每个基本单元的相位要求设计相应的具体实现结构。本发明通过微纳结构实现了宏观上光学透镜的效果，且在保持高透过率的情况下，光学尺寸极薄，且为双平面透镜。

主权项

基于全介质人工微结构超表面构造超薄光学透镜的方法，其特征在于包括如下步骤：步骤(1).在600nm～20um的可见光到中红外的波长带宽范围内，选择需要的工作波长；入射光照射人工微结构超表面，根据所需要出射的聚焦点的位置，计算出人工微结构超表面上的相位分布；步骤(2).以一定的周期设计旋转对称的周期性结构，将得到的相位梯度分布结合表面上的周期性结构单元确定具体的相位值；步骤(3).选择高度确定的柱状结构作为人工微结构超表面的基本单元，根据每个基本单元的相位要求设计相应的具体实现结构，所得到的透镜效果对于斜入射光同样适用；所述的步骤(1)中，利用了惠更斯原理，根据所需要出射的聚焦点的位置，确定人工微结构超表面上的相位分布，具体如下：行进中的波阵面上任意点都能够看作是新的次波源，而从波阵面上各点发出的许多次波所形成的包络面，就是原波面在一定时间内所传播到的新波面；当平面波穿过人工微结构超表面时，由于不同位置的结构单元对平面波的相位延迟不同，使得透射波的次波所形成的包络面发生变化，且该种变化人为调制；设人工微结构超表面构造的超薄光学透镜的焦距为f，工作波长为λ，人工微结构超表面的周期性结构上，选中的某个周期结构距离人工微结构超表面中心距离为s；则此结构单元到焦点的距离ds用勾股定理计算得到：ds=f2+(s)2---(1)]]>ds就是平面波照射到此周期结构后发出的次波到焦点的距离；其相位变化表示为Ψs：Ψs=dsλ*2π---(2)]]>确定每一个不同位置的相位变化Ψs就确定了人工微结构超表面上的相位分布；所述的步骤(2)中，以一定的周期设计旋转对称的周期性结构，将得到的相位梯度分布结合平面上的周期性结构单元确定每个结构单元具体的相位值；选取合适的周期p后，选中的某个周期结构距离人工微结构超表面中心距离为s用n*p表示，其中n为从中心开始计算的第n个周期，由于旋转对称有多种可能的图案，因此n可以为小数：dn=f2+(n*p)2---(3)]]>用得到的dn除以波长λ，则得到商a和余数b，dnλ=a......b---(4)]]>其中商a代表了dn所包含了a个整数倍的λ，电磁波传播经过整数倍λ后，其相位不变化，因此a没有特别的用处；余数b则代表了去除整数倍的λ后，n*p处的周期结构发出的次波到焦点时其相位变化了b倍的λ，其中b<1；因此n*p处的周期结构发出的次波到焦点时其相位变化可以表示为：φn＝b*2π  (5)根据以上原理和计算公式，理论上在确定焦距和周期后，计算出无限大的人工微结构超表面的相位分布值；则将公式(3)做微分：d(dn)=npdnf2+(np)2=dn(fnp)2+1---(6)]]>当n逐渐增大后，d(dn)/dn逐渐增大，最终趋近于1，这意味着随着n增大，人工微结构超表面上单位距离的相位梯度变化更剧烈，偏折角更大；所述的步骤(3)中，模拟计算出不同相位值的确定高度的柱状结构；根据以上计算得到的相位值，选取合适结构的柱状结构作为人工微结构超表面的基本单元，根据每个基本单元的相位要求设计相应的具体实现结构，最终组合形成人工微结构超表面超薄透镜；在选取的柱状材料中，材料包括硅、锗或二氧化钛；同时，其柱状结构包含三角柱状、四边柱状、五边柱状、圆柱状和椭圆柱状。