CN115542437A - 一种嵌入式结构可调短波段共焦纵向双焦点超透镜 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种嵌入式结构可调短波段共焦纵向双焦点超透镜，首先在实现采样精度高而要求周期小的情况下，对结构单元采用1：1的嵌入式比例，可以降低深宽比的限制。根据广义斯涅尔定律求解出不同空间位置的相位，构建超透镜。数值分析表明在λ＝600nm线偏振光时，焦距偏差约为2.2％，焦点半高全宽(FWHM)打破了衍射极限，具有高精度要求。在650～550nm下，焦距最大误差2.39um，因为焦深的存在，误差可以忽略；在波长550nm处出现明显纵深强度相当的双焦点；在550～490nm处表现处一个数值孔径更大、FWHM仅为0.5um的强度可调的焦点。因此本设计的超透镜可以实现消高宽比、纵向双焦点聚焦、强度可控、短波段共焦的特性，可应用在彩色成像，光路复用，透镜聚焦集成器件上。
Description
技术领域
本发明涉及纵向双焦点，短波段聚焦，彩色成像邻域，特别是一种嵌入式结构可调短波段共焦纵向双焦点超透镜设计。
背景技术
传统的聚焦透镜对光线的调控依赖于沿着光路的相位积累，因此会受到自然材料折射率的限制。此外，对制造工艺的要求也会很高，想要加工高精度的透镜十分困难。
自从上20世纪90年代以来，随着半导体制造工艺的精度逐渐小于波长，亚波长下光与物质的相互作用进一步成为研究热门，以超表面为代表的二维平面亚波长调制技术逐渐步入了人们的视野。光学超表面主要是指具有超薄厚度的纳米结构组成的二维超材料，组成超表面的纳米结构可以是孔、缝或突起等结构。光学超表面可通过纳米结构单元与光的相互作用进而在亚波长范围内调控光的振幅、相位、偏振以及透射谱。超薄厚度、便于制作、易于集成以及全域光场控制的优势使光学超表面在彩色滤波、偏振转换、波前调控和异常透射与反射等方面得到广泛应用。
超表面的优越特性吸引了国内外学者的极大兴趣，其概念最早由Yu等提出，他们提出了一种V形纳米天线组成的超表面，通过改变天线的开口方向可以实现对圆偏振光的调控，并提出了广义斯涅尔定律来解释。2020年，赵鹏九提出基于偏振响应的双焦点超表面透镜设计，对一组正交偏振态入射光分别独立控制，利用左右旋偏振光产生不同的纵向双焦点，而光源圆偏振光的产生需要在线偏振光前加1/4波片，产生了实践的复杂性；2021年，徐碧洁提出一种近红外波长超透镜的设计与仿真，使用时域有限差分FDTD软件设计仿真了工作波长为800nm的硅基偏振不敏感超透镜，镜头厚度小于0.5mm，数值孔径为0.41时聚集效率为75％；2022年，罗文峰等人提出双波长偏振控制超表面透镜的设计，在可见光690nm和近红外光880nm处采用传播相位设计了偏振复用的透射型超表面透镜，同轴双焦点的产生需要二个不同波长光的入射；同年，孙倜提出一种基于单片式全介质空间复用超透镜的宽带全斯托克斯偏振光谱成像装置，这是一种横向空间复用的超透镜设计，可以实现各种偏振光的转换。
基于电介质的超透镜需要亚波长尺度的高深宽比结构来实现对光场的调控，以达到改变介质材料等效折射率的目的，因此想要加工这样的高深宽比结构，需要使用先进的微纳加工工艺才能实现，短期内难以实现实际的应用，对加工技术要求十分苛刻。因为超透镜的相位调控是离散的，因此满足奈奎斯特采样下越小的离散相位的调控越对超透镜实现精确的波前控制有益，因此需要比较小的晶格常数。基于等效折射率定理，在小的晶格常数下，实现2π范围内的透射相位调控越需要更大的深宽比。基于此，提出一种1：1的嵌入式结构单元设计。此设计因为结构单元50％嵌入到基底里，所以等效的折射率比在基底上的结构单元的等效折射率大，可以采用更小的深宽比；而且因为1：1的嵌入，深宽比降低一半，对加工制作要求降低，便于大规模的生产；而且因为嵌入的原因，整个超透镜的厚度比把结构单元结合在衬底上的超透镜更加轻薄，便于集成平面化。在三环设计下，入射λ＝600nm,透镜透射率95％，聚焦效率68.28％，半高全宽0.477λ/NA，打破了瑞利判据0.61λ/NA衍射极限，具有较高的分辨率。以往设计的在单超表面下的单焦点超透镜因为材料色散，结构色散和空间波矢的原因，只能实现单一波长的聚焦，本设计超透镜在550～650nm的线偏振光照射下，焦距最大误差2.39um(以在600nm下实际焦距为准)，因为焦深(在600nm平面光下，电场强度为300V^2/m^2，强度78％以上时8um)的存在，误差可以忽略，此外，焦深下的FWHM依然具有良好的分辨特性。在用550nm的光进行数值分析时发现，因为结构单元嵌入式的原因，出现纵轴上的同轴不同距的双焦点，在490nm～650nm不同波长处，可以根据实际的应用情况，实现单一焦点强度的控制或纵轴上的双焦点显示。本设计的嵌入式具有良好的短波带范围内的聚焦，可以在彩色成像，滤波显示中具有更大应用。
发明内容
本发明一种嵌入式结构可调短波段共焦纵向双焦点超透镜，其结构简单，便于使用与制作。
本发明通过以下技术方案来实现：
一种嵌入式结构可调短波段共焦纵向双焦点超透镜，如图1所示，其特征在于：所述超透镜本体由基底SiO2，TiO2单元柱按照广义斯涅尔定律求解出的不同空间位置的相位匹配的半径进行排列构建而成。
所述结构单元柱晶格常数为U，TiO2单元柱半径为R，高度为H，整个透镜在三环设计下总共约有6000个单元柱组成。
所述TiO2单元柱按照1：1的嵌入式比例嵌入到基底SiO2中，基底上面50％的TiO2柱可以构建成一个会聚的波前球面波，而在基底里面50％的TiO2柱也可以构建成一个会聚的波前球面波，因此本发明的超透镜可以实现纵向的双焦点共焦。
本发明利用FDTD对超透镜设计进行数值分析，整个透镜构建完毕后，所有边界条件设为完美匹配层(PML)，所用光源为全场散射场(TFSF)平面光光源，减去了因光源直射部分(包括基底反射)后的散射场，使数值分析更加精确。
与现有技术相比，本发明的优点：
1、在实现采样精度高而要求周期小的情况下，对结构单元采用1：1的嵌入式比例，可以降低因制作工艺限制的深宽比。
2、本发明在λ＝600nm时，焦距偏差约为2.2％，焦点半高全宽(FWHM)为0.477λ/NA，打破了常规透镜衍射极限，具有高精度要求。
3、本发明在650～550nm平面光照射下，焦距最大误差2.39um，因为焦深的存在，误差可以忽略；在波长550nm处出现明显纵深强度相当的双焦点；在550～490nm处表现处一个数值孔径更大、FWHM仅为0.5um的强度可调的焦点。
4、本设计的超透镜可以实现消高宽比、纵向双焦点聚焦、强度可控、短波段共焦的特性，可应用在彩色成像，光路复用，透镜聚焦集成器件上。
附图说明
图1为本发明的超透镜示意图和单元结构图。
图2(a)为本发明结构单元传输相位曲线和透过率，图2(b)为本发明构建的超透镜目标相位与实际相位对比图。
图3(a)为本发明构建的整个超透镜，图3(b)为本发明不同环数下Z轴上的强度分布，图3(c)为本发明基于衬底式和嵌入式超透镜Z-X电场强度分布图。
图4为本发明不同波长下的焦距分布。
图5为本发明不同波长下焦距，强度，FWHM，聚焦效率曲线图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，并参照附图，对本发明进一步详细说明，尽管在附图中展示出了实施的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
如图1所示，所述超透镜本体由基底SiO2，TiO2单元柱按照广义斯涅尔定律求解出的不同空间位置的相位匹配的半径进行排列构建而成。超透镜不同位置处的相位可由以下公式得出：
所述结构单元柱晶格常数为U＝330nm，TiO2单元柱半径为R为0.043～0.104um，高度为H＝120nm，整个透镜在三环设计下总共约有6000个单元柱组成。所述TiO2单元柱按照1：1的嵌入式比例嵌入到基底SiO2中，基底上面50％的TiO2柱可以构建成一个会聚的波前球面波，而在基底里面50％的TiO2柱也可以构建成一个会聚的波前球面波。
如图2(a)所示，在半径0.043～0.104um下，能够实现2*pi的相位覆盖，而在半径95nm下，透过率突变为68％，发生谐振，平均透过率在95％以上，最大高宽比为13.9。在实际的工艺中，所制备的纳米结构的最大纵横比约为10:1左右，纳米柱的高度与最小直径的比值越低越易加工，即减少了纳米柱蚀刻过程中的倾角误差从而提高器件的实际性能。采用本设计所提出的1：1嵌入式结构，可以降低50％的高宽比，因此实际的最大高宽比约为7，满足实际工艺要求。
如图2(b)所示，目标相位随着不同超透镜半径位置处的相位，插图为3维的目标相位图，红色点为实际根据数据库信息设计的超透镜随半径变化的相位，从图中可以看出，所设计的超透镜实际相位点绝大多数都在目标相位曲线上，只有少数零散几个点的采样信息不处于实线上，而这是因为整个超透镜是根据离散相位构建超表面超透镜波前相位球面波，晶格常数大小的限制，不可能使所有的离散结构单元贡献的波前相位都处于所设计的目标相位上，而这也正是造成设计焦距目标与实际数值分析目标有差异的原因之一。
如图3(a)所示，矩形框为超透镜环与环处和边缘处的放大图。
如图3(b)所示，在半径7.7um 1环和半径13.5um三环的超透镜，通过脚本差值计算后，超透镜在传播轴Z平面的光强分布，插图为在三环设计下的焦点处X-Y平面的电场强度图，从图中可以看出1环的超透镜数值分析结果离设计焦距距离相差约10um，偏差过大不能用于设计制作。这是因为过少的结构单元对光的传播控制减弱，还有各个表面的晶格离散排布，无法做到无间隙全相位采样。基于此，本设计接下来都是基于三环设计进行的超透镜数值分析。对三环超透镜数值分析，在Z-X平面电场强度最大处在48.878um，即焦点处，离设计目标相差2.2％，符合超透镜设计，分析原因为小口径时FDTD入射波不是理想平面波。在焦点处X-Y平面的插图中可以看到强度居中，边缘没有衍射光强，经过计算，在焦点处的FWHM为1.1um，即0.477*λ/NA，瑞利判据衍射极限定义0.61*λ/NA，为1.4um，此超透镜打破了衍射极限，具有较好的分辨率，可以应用到大规模的集成透镜中。
如图3(c)所示，在常规结构(1)λ＝600nm/500nm下，透镜聚焦大约60nm处，因为结构色散和空间波矢不同，焦距随着入射波长的减小，焦距增大；而在浸入式结构(2)中，可以看到在λ＝600nm/500nm下，除了出现第一焦点，还出现了附带的第二焦点，白圈所示。
如图4所示，采用波长490～650nm的离散光进行测试这个透镜对色散的影响。在波长650nm～550nm之间，焦点大约都在Z轴上的48.878um处，且焦点处的电场强度分布集中，因为焦深(在600nm平面光下，电场强度为300V^2/m^2时，即场强超78％以上，焦深8um)的存在，从图中可以看到在波长650～550nm短波段里所有的焦点都处于本设计在波长600nm下超透镜结构设计的焦点位置。且超表面透镜可以较好地延长焦点长度同时能够保持较好的横向分辨率。在数值分析中发现一个有趣的点，引入嵌入式结构，随着入射波长的减小，位于主焦点的强度降低，而在旁瓣处的峰演变为强度最大的焦点。因此本设计的超透镜可以实现纵向的双焦点功能，可以用在光程复用功能器件上。在550nm波长光的照射下，出现明显的二个纵向双焦点透镜，另外一个透镜焦点约为28.929um，与主焦点强度大约相同。这是因为本设计提出的嵌入式结构不仅按照最初设计提供了一个会聚的球面波，而且因为下面50％的结构与基底SiO2成为一个体系，又构建了一个汇聚的波前球面波对出射场进行控制。在550nm～490nm处第二焦点都处在28.929um焦点处，且透镜有更大数值孔径和半高全宽为0.413λ/NA的焦斑。在获得超衍射极限聚焦的同时，从图中可以看到在聚焦主瓣的周围不可避免地伴生强度可观的聚焦旁瓣,这是由于其在相位的计算以及结构尺寸的优化方面存在一定的误差导致有旁瓣的存在，但是其对总体的影响较小，可忽略。
如图5(a)所示，在波长650～550nm之间，Z轴峰值焦点离波长600nm(数值分析48.878um)下的焦点最大偏离2.39um，电场强度最大值如白色线条所示，在510nm处，出现在整个波段的最大值，这是因为波长越小即频率越高，光的能量越高，因此场强越大。透镜在590nm到650nm波段内场强变化缓慢，具有较好的短波带共焦特性。根据色散原理，长波长的光聚焦的位置离透镜较近，而短波长光聚焦的位置离透镜较远，这与本设计的数值分析相符。超表面透镜所存在着不可忽视的色散效应。总的来讲，超表面透镜主要由两个方面的原因引起色散。一方面是不同波长复振幅在超表面上的亚波长结构的响应不同造成的色散。另一方面是离开超表面的光波，在空间由于随波长改变的传播波矢造成的色散。消色散一般是利用结构和材料进行色散互补的原则，进行消除结构和材料引起的色散，但是因为不同波长在空间传播的波矢k不同，因此超透镜的色散并不能绝对的消除，只能是在焦点处因为焦深的存在，都在同一焦点位置处聚焦。
如图5(b)所示，在各自焦点处的FWHM在短波段内是不变的，在650nm～550nm内的焦点处的FWHM为1.1um，透镜600nm下的最大聚焦效率为68.28％，在整个短波段内聚焦效率较高；而在550～490nm内的FWHM为0.5um，具有更大的数值孔径，且有着更高的分辨率，但是透镜的聚焦效率略显不足。
基于此设计的嵌入式结构单元的超透镜表现出在650～550nm处焦距位于48.878um的范围，具有一定的消色差功能，可以实现短波带的超透镜共焦。在550～500nm范围内超透镜表现出数值孔径更大，分辨率更高的性能，可以根据需求选择不同焦点不同强度的多种组合的超透镜。
本发明所述的超透镜超透镜可以实现消高宽比、纵向双焦点聚焦、强度可控、短波段共焦的特性，可应用在彩色成像，光路复用，透镜聚焦集成器件上。
需要说明的是，尽管以上本发明所述的实施例是说明性的，但这并非是对本发明的限制，因此本发明并不局限于上述具体实施方式中。在不脱离本发明原理的情况下，凡是本领域技术人员在本发明的启示下获得的其它实施方式，均视为在本发明的保护之内。
Claims (6)
1.一种嵌入式结构可调短波段共焦纵向双焦点超透镜，如图1所示，其特征在于：首先在实现采样精度高而要求周期小的情况下，对结构单元采用1：1的嵌入式比例，可以降低因制作工艺深宽比的限制，在晶格常数U＝330nm，高度H＝120nm下，实现覆盖整个2π的TiO2结构单元半径区间为0.043～0.104um。
2.根据权利要求1所述的一种嵌入式结构可调短波段共焦纵向双焦点超透镜，其特征在于：透镜在λ＝600nm的透射率高达95％，聚焦效率为68.28％。
3.根据权利要求1所述的一种嵌入式结构可调短波段共焦纵向双焦点超透镜，其特征在于：在波长650nm～550nm区间，焦点大约都在Z轴上的48.878um处，且焦点处的电场强度分布集中，因为焦深(在600nm平面光下，电场强度为300V^2/m^2时，即场强超78％以上，焦深8um)的存在，在波长650～550nm短波段里所有的焦点都处于本设计在波长600nm下超透镜结构设计的焦点位置，焦点处的FWHM为0.477*λ/NA，打破衍射极限。
4.根据权利要求1所述的一种嵌入式结构可调短波段共焦纵向双焦点超透镜，其特征在于：在550nm波长光的照射下，出现明显的二个纵向双焦点透镜，另外一个透镜焦点约为28.929um，与主焦点强度大约相同，这是因为本设计提出的嵌入式结构不仅按照最初设计提供了一个会聚的球面波，而且因为下面50％的结构与基底SiO2成为一个体系，又构建了一个汇聚的波前球面波对出射场进行控制。
5.根据权利要求1所述的一种嵌入式结构可调短波段共焦纵向双焦点超透镜，其特征在于：在550nm～490nm处第二焦点都处在28.929um焦点处，且透镜有更大数值孔径和半高全宽为0.413*λ/NA的焦斑。
6.根据权利要求1所述的一种嵌入式结构可调短波段共焦纵向双焦点超透镜，其特征在于：基于此设计的嵌入式结构单元的超透镜表现出在650～550nm处焦距位于48.878um的范围，具有一定的消色差功能，可以实现短波带的超透镜共焦；在550～500nm范围内超透镜表现出数值孔径更大，分辨率更高的性能，可以根据需求选择不同焦点不同强度的多种组合的超透镜。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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