CN117572541A - 一种三色波长选择性聚焦超透镜及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种三色波长选择性聚焦超透镜及其制备方法，具体是一种基于连续域准束缚态超表面操控光学圆偏振态，进而实现多光谱波阵面调制的方法，可以实现可见光波段单色/三色选择性波长色光选择性聚焦，并对面向增强现实显示***的应用进行指导。利用超表面非局域模式设计实现超透镜纳米精度波长聚焦的选择性操控，通过连续域准束缚态的引入突破了频域操控尺度极限，极大地提高了光谱波阵面的操控尺度，具有轻薄、品质因子高、鲁棒性高等特点，可运用于增强现实显示***中光学元件设计。在目前普遍应用局域超表面实现AR元件轻薄化应用的前提下，本发明基于连续域准束缚态的非局域超表面设计将具有广阔的市场前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种三色波长选择性聚焦超透镜及其制备方法，具体是一种基于连续域准束缚态超表面操控光学圆偏振态，进而实现多光谱波阵面调制的方法，可以实现可见光波段单色/三色选择性波长色光选择性聚焦，并对面向增强现实显示***的应用进行指导。
背景技术
超透镜(Metalenses)又称超构透镜，是一种二维平面透镜结构，由具有亚波长厚度的介质柱微结构排列构成。超透镜可以通过调整微结构的形状、旋转方向、高度等参数灵活调控光的偏振、相位和振幅属性。并且，超透镜拥有体积更薄、重量更轻、更易集成的优点，为实现紧凑集成的光学***提供了新的解决方案。
近年来，增强现实(Augmented Reality，AR)和虚拟现实(Virtual reality，VR)在学术界和工业界都得到了越来越多的关注。AR/VR显示设备的舒适佩戴是其商业应用的基础，因此对设备外形有很高的要求。而减小设备尺寸的根本在于采取更加轻巧紧凑的光学方案。平面光学方案包括衍射光学和超表面光学在解决这一挑战方面具有很大的希望。超透镜作为一种超薄平面光学元件，克服了折射光学和传统衍射光学元件笨重、功能单一的缺点，可以用于代替AR/VR显示器件中的光学元件，例如起偏器、光束分束器和光学组合器。同时，超透镜灵活的相位操控能力为实现非常规成像功能提供了极大的灵活性，例如手性成像和边缘检测。
然而，目前超透镜存在以下缺点尚需解决：
对光谱调控能力有限，只能实现宽频带范围的波阵面整形。这就导致入射光经过超透镜后存在全波段的能量损耗，效率低；
受制于透镜色散特性与材料性质，无法实现尺寸超过毫米级别的大面积消色差超构透镜；
超透镜只能以零视场成像，无法满足人眼124°宽视场成像要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种三色波长选择性聚焦超透镜及其制备方法，使全波段的白光入射光信号可通过介质纳米结构支持的连续域准束缚态共振调制来实现单色/三色选择性波长色光的聚焦成像。这种超透镜仅对选定的可见光波长产生波阵面整形效果，而其他波长则无调制效果。
本发明的技术方案如下：
一种三色波长选择性聚焦超透镜，该聚焦超透镜包括若干个上层介质纳米结构、SiO2基底和若干个下层介质纳米结构；三色是指为红色、绿色和蓝色；
所述若干个上层介质纳米结构通过刻蚀的方式位于SiO2基底的上表面等间隔排列，且在红光波长满足连续域准束缚态物理条件，用于控制红光聚焦；
所述若干个下层介质纳米结构通过刻蚀的方式位于SiO2基底的下表面等间隔排列，且在蓝光波长和绿光波长满足连续域准束缚态物理条件，用于控制蓝光、绿光聚焦；
所述上层介质纳米结构的材料为二氧化钛或氮化镓，上层介质纳米结构形状为长方体，长为160～200nm、宽80～100nm、厚度为240～300nm；
所述下层介质纳米结构的材料为二氧化钛或氮化镓，下层介质纳米结构形状为长方体，长为160～200nm、宽80～100nm、厚度为240～300nm；
所述上层介质纳米结构的转角θ1(r)满足如下公式：
上式中，代表红光光学相位，r代表超透镜半径，λB代表红光波长，f代表焦距，θ1代表上层介质纳米结构旋转角度；
所述下层介质纳米结构的转角θ2(r)满足如下公式：
上式中，代表绿光光学相位，/>代表蓝光光学相位，r代表超透镜半径，λG代表绿光波长，λB代表蓝光波长，f代表焦距，θ2代表下层介质纳米结构旋转角度。
一种三色波长选择性聚焦超透镜的制备方法，该方法的步骤包括：
第一步，在SiO2基底上表面通过化学气相沉积的方法镀一层二氧化钛或氮化镓的薄膜，然后在薄膜上通过电子束刻蚀的方法制备上层介质纳米结构平面形状的图案，再通过电感耦合等离子体蚀刻(ICP)的方法加工出上层介质纳米结构的立体图案；
第二步，在SiO2基底下表面通过化学气相沉积的方法镀一层二氧化钛或氮化镓的薄膜，然后在薄膜上通过电子束刻蚀的方法制备下层介质纳米结构平面形状的图案，再通过电感耦合等离子体蚀刻(ICP)的方法加工出下层介质纳米结构的立体图案，得到三色波长选择性聚焦超透镜。
有益效果
(1)本发明的超透镜用于实现设定波长色光的聚焦成像；
(2)本发明的超透镜仅对选定共振波长的可见光产生波阵面整形效果，而其他波长则无调制效果。在这个可扩展的非局域超透镜设计方案中，通过设计单层非局域表面，可以在不同波长满足连续域准束缚态物理条件，进而调控波阵面，并在不满足连续域准束缚态物理条件下保持波阵面形状不变。
(3)本发明通过叠加多个非局域超表面的波阵面整形效果，可以在多个设计波长下实现不同的功能，例如多功能光束导向和轨道角动量操纵等。而传统光子器件很少对入射波阵面提供精细的空间控制和锐利的光谱控制。在本发明给出的三色波长选择性聚焦超透镜设计中，单个基本单元支持高品质因子的单色/三色连续域准束缚态共振模式；
(4)本发明所提出的器件通过调控连续域中的准束缚态，实现了对光的空间维度和光谱控制，在保留共振频率不受影响的基础上实现了超透镜聚焦光的单色/三色选择性波长共振。这种对连续域内空间变化的相位编码方式，可以实现多光谱波阵面整形，并实现对连续域中多个准束缚态的独立控制。
(5)本发明所提出的可见光波段三色波长选择性聚焦超透镜可作为增强现实***光学元件的替代方案。利用我们设计的三色波长选择性聚焦超透镜，可以在选定的三色选择性波长上将显示信息投射到观察者的眼睛，同时允许对真实世界的宽带视角不受阻碍。这种设计允许非局域超透镜显示覆盖整个眼镜的情境信息并提供广阔视野，并且不需要额外的偏振器或分束器来衰减真实世界的光。
(6)本发明首次实现基于连续域准束缚态超表面的可见光波段单色/三色选择性波长透镜，并应用于可见光增强现实***。利用超表面非局域模式设计实现超透镜纳米精度波长聚焦的选择性操控，通过连续域准束缚态的引入突破了频域操控尺度极限，极大地提高了光谱波阵面的操控尺度，具有轻薄、品质因子高、鲁棒性高等特点，可运用于增强现实显示***中光学元件设计。在目前普遍应用局域超表面实现AR元件轻薄化应用的前提下，本发明基于连续域准束缚态的非局域超表面设计将具有广阔的市场前景。
(7)本发明设计了基于连续域准束缚态超表面的可见光波段单色/三色选择性波长超透镜。该超透镜可以在选定的单色/三色设计波长聚焦，而其他波段的光线正常透过，从而避免了全波段能量损耗，提高了能量利用率。使大面积制备该种超透镜成为可能。并且，该超透镜将三色选择性波长所携带的显示信息投射到观察者的眼睛，同时允许对真实世界的宽带视角不受阻碍，拓展了显示视场角。综上所述，我们提出的三色波长选择性聚焦超透镜可以广泛应用于AR/VR显示器件中。
附图说明
图1为本发明的可见光波段红绿蓝三色选择性波长超透镜平面结构示意图；
图2为本发明具体实施方式的可见光波段单色选择性波长超透镜平面结构示意图；
图3为本发明具体实施方式的可见光波段三色选择性波长超透镜微纳结构单元示意图；
图4为本发明具体实施方式中连续域准束缚态选择性波长超透镜的贝里相位(Pancharatnam-Berry Phase)-纳米结构转角关系图；
图5为本发明具体实施方式中单色和双色选择性波长连续域准束缚态超透镜的偏振转换率光谱；
图6为本发明具体实施方式中三色连续域准束缚态选择性波长超透镜的偏振转换率光谱；
图7为本发明具体实施方式中单色选择性波长连续域准束缚态选择性波长超透镜的聚焦光场；
图8为本发明具体实施方式中双色选择性波长连续域准束缚态选择性波长超透镜的聚焦光场；
图9为本发明具体实施方式中三色选择性波长连续域准束缚态选择性波长超透镜的聚焦光场；
图10为本发明具体实施方式中三色选择性波长连续域准束缚态选择性波长超透镜在聚焦峰值处归一化光强分布。
具体实施方式
下面结合附图，通过具体实施例对本发明作进一步详细描述，以使本领域技术人员能够更加清楚地理解本发明。
基于连续域准束缚态超表面的可见光波段单色/三色选择性波长超透镜设计是在微纳结构设计与制备的基础上实现的。本实施例中可见光波段三色选择性波长超透镜样品结构如图1所示：包括介质纳米结构1、SiO2基底2和介质纳米结构3，其中所述介质纳米结构1和3分别位于SiO2基底的上表面、下表面。可见光波段单色选择性波长超透镜样品结构如图2所示：包括介质纳米结构、SiO2基底，其中所述介质纳米结构位于SiO2基底的上表面。
所述介质纳米结构1的转角θ1(r)满足如下公式：
上式中，代表红光光学相位，r代表超透镜半径，λB代表红光波长，f代表焦距，θ1代表上层介质纳米结构旋转角度；
所述介质纳米结构2的转角θ2(r)满足如下公式：
上式中，代表绿光光学相位，/>代表蓝光光学相位，r代表超透镜半径，λG代表绿光波长，λB代表蓝光波长，f代表焦距，θ2代表下层介质纳米结构旋转角度。因为透镜色散具有连续性，所以只需控制单一波长便可实现双波长的同时聚焦。
下面进一步给出用于基于连续域准束缚态超表面的可见光波段单色/三色选择性波长超透镜的实验样品的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、对SiO2衬底使用有机溶剂进行超声清洗，按照乙醇(清洗时间10-15min)→去离子水(清洗时间10-20min)的顺序进行超声清洗，最后用氮***吹干残留在衬底上的去离子水，得到洁净的SiO2衬底。
步骤二、在上一步骤得到的SiO2衬底上做240/270/300纳米的化学气相沉积(TiO2)沉积在熔融二氧化硅晶片上的，冷却后上表面旋涂PMMA A4胶(2000rad/s，45s)，并在180℃下烘干2min。然后利用电子束刻蚀(EBL)***将设计好的结构形状图案化。曝光后，通过去离子水冲洗去除抗充电层，并在冷却的3:1异丙醇去离子水溶液中开发该装置2分钟，然后用去离子水冲洗30秒。这些装置被蚀刻在一个以氟为基础的电感耦合等离子体蚀刻器中。通过将晶片在80℃下浸泡N-甲基-2-吡咯烷酮5小时剥离PMMA蚀刻掩模最终得到介质纳米结构1和3。
下面给出所述基于连续域准束缚态超表面的可见光波段单色/三色选择性波长超透镜聚焦效率的测量流程：本发明中连续域准束缚态超表面的可见光波段单色/三色选择性波长超透镜测试在超透镜成像光路中进行，可见光范围超连续激光出射后，通过光学孔径与半透半反镜翻折后，通过20X倍物镜与设计的超透镜，利用功率计分别对通过超透镜前后的光束功率测量，得到聚焦效率。
实施例1
设计和数值演示了一个非局域的单晶基板上可见光波段单色/三色透镜，仅对选定的可见光波长产生波阵面整形效果。该设计需要实现一个在红、绿、蓝三色波长下工作的超结构阵列单元透镜的功能。本超表面由矩形孔蚀刻到覆盖有SiO2减反射层的TiO2薄膜中。通过有限差分时域模拟和非相干传输矩阵方法计算的三色选择性波长透射介质纳米结构阵列模式(见图1)和单色选择性波长透射介质纳米结构阵列模式(见图2)，单个结构单元的形貌见图3。
按照上述步骤加工制备两个双层介质纳米结构样品。自下而上165nm长、50nm宽、250nm高的长方形介质纳米结构1，300nm厚的SiO2基底2，自下而上170nm长、80nm宽、240nm高的长方形介质纳米结构3(见图1)；自下而上300nm厚的SiO2基底1，170nm长、80nm宽、240nm高的长方形介质纳米结构2(见图2)。超透镜样品采用贝里(Pancharatnam-BerryPhase)相位设计方法，在长方形纳米结构旋转角度与贝里相位的对应关系基础上，通过纳米结构的旋转角设计实现超透镜在0-2p范围内全相位调制(见图4)。其圆偏振光转换效率数值仿真结果(见图5)显示，对于上表面结构，其在光谱峰值648nm附近左右红色波段的左右旋光透过率接近，达到最高的圆偏振光转换效率，实现单波长下的聚焦成像效果。对于下表面结构，实现了绿光和蓝光的选择性波长聚焦，其光谱峰值分别在522nm和470nm。在SiO2衬底的上下表面分别微纳加工上对应结构阵列，分别实现了红、绿、蓝三种颜色在选择性波长的聚焦成像(见图6)。
设计的连续域准束缚态可见光波段三色选择性波长超透镜上表面聚焦光场(见图7)显示，对于红光波段，透镜在波长峰值648nm附近有明显的聚焦效应，而非选择性波长如640nm、660nm等位置则无明显的聚焦现象。设计的连续域准束缚态可见光波段三色选择性波长超透镜下表面聚焦光场(见图8)显示，对于蓝光和绿光波段，分别在在波长峰值470nm和522nm附近有明显的聚焦效应，而非选择性波长如440nm、560nm等位置则无明显的聚焦现象。集成后的超透镜的聚焦光场(见图9)显示，在400-700nm的可见光区域内，设计的超透镜只在蓝、绿、红三个波段分别选定的470nm、530nm和650nm选择性波长处有显著的聚焦效果。这里上下表面两层超透镜的相互作用导致了绿光和红光波长峰值的微移。三种颜色特征峰值对应归一化光强分布显示：归一化光强分布显示能量集中在中心区域(见图10)，半径窄于1mm，焦点偏移在2mm以内，实现三色良好的聚焦成像效果。
本发明首次实现可见光波段基于连续域准束缚态超表面的可见光波段单色/三色选择性波长超透镜，并数值仿真演示了非局域波阵面的超表面光学器件。这种非局域超表面器件可以在多个波长(通过级联表面和向单个表面添加独立扰动)独立控制共振波长(通过结构单元几何形状)，品质因子(通过扰动强度)和波阵面(通过几何相位的空间分布)，并利用其高品质因子单色/三色选择性波长优势实现光与物质相互作用的波阵面整形。这种基于连续域准束缚态超表面波阵面整形的概念也适用于波导集成表面，在未来增强现实显示技术领域有广阔应用空间。本发明是一种纳米尺度、高灵敏、鲁棒性强的基于连续域准束缚态超表面的可见光波段单色/三色选择性波长超透镜设计方法，除了介质长方形纳米结构之外还适用于其他结构的介质超表面。当今元宇宙光电信息器件和微纳光子学器件的飞速发展，对于轻薄化高性能光电器件的设计方案需求愈发强烈，本发明对其今后的发展具有极强的支持动力和参考价值。
最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，本领域的技术人员应当理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。
Claims (5)
1.一种三色波长选择性聚焦超透镜，其特征在于：
该聚焦超透镜包括若干个上层介质纳米结构、SiO2基底和若干个下层介质纳米结构；三色是指为红色、绿色和蓝色；
所述若干个上层介质纳米结构通过刻蚀的方式位于SiO2基底的上表面等间隔排列，且在红光波长满足连续域准束缚态物理条件，用于控制红光聚焦；
所述若干个下层介质纳米结构通过刻蚀的方式位于SiO2基底的下表面等间隔排列，且在蓝光波长和绿光波长满足连续域准束缚态物理条件，用于控制蓝光、绿光聚焦；
所述上层介质纳米结构的材料为二氧化钛或氮化镓，
所述下层介质纳米结构的材料为二氧化钛或氮化镓。
2.根据权利要求1所述的一种三色波长选择性聚焦超透镜，其特征在于：
上层介质纳米结构形状为长方体，长为160～200nm、宽80～100nm、厚度为240～300nm；
所述下层介质纳米结构形状为长方体，长为160～200nm、宽80～100nm、厚度为240～300nm。
3.根据权利要求1或2所述的一种三色波长选择性聚焦超透镜，其特征在于：
所述上层介质纳米结构的转角θ1(r)满足如下公式：
其中，代表红光光学相位，r代表超透镜半径，λR代表红光波长，f代表焦距，θ1代表上层介质纳米结构旋转角度；
所述下层介质纳米结构的转角θ2(r)满足如下公式：
其中，代表绿光光学相位，r代表超透镜半径，λG代表绿光波长，f代表焦距，θ2代表下层介质纳米结构旋转角度。
4.一种三色波长选择性聚焦超透镜的制备方法，其特征在于该方法的步骤包括：
第一步，在SiO2基底上表面镀一层二氧化钛或氮化镓的薄膜，然后在薄膜上通过电子束刻蚀的方法制备上层介质纳米结构平面形状的图案，再通过电感耦合等离子体蚀刻的方法加工出上层介质纳米结构的立体图案；
第二步，在SiO2基底下表面镀一层二氧化钛或氮化镓的薄膜，然后在薄膜上通过电子束刻蚀的方法制备下层介质纳米结构平面形状的图案，再通过电感耦合等离子体蚀刻的方法加工出下层介质纳米结构的立体图案，得到三色波长选择性聚焦超透镜。
5.根据权利要求4所述的一种三色波长选择性聚焦超透镜的制备方法，其特征在于：
在SiO2基底上表面或下表面通过化学气相沉积的方法镀一层二氧化钛或氮化镓的薄膜。
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| CN202311479082.8A CN117572541A (zh) | 2023-11-08 | 2023-11-08 | 一种三色波长选择性聚焦超透镜及其制备方法 |
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