阅读说明：本技术 一种基于全低折射率介质超表面结构的偏振无关红外透镜 (Polarization-independent infrared lens based on full-low-refractive-index medium super-surface structure ) 是由 徐挺 于 2020-12-15 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于全低折射率介质超表面结构的偏振无关红外透镜,所述偏振无关红外透镜由n个结构单元按特定相位排列得到,n＞1；所述结构单元包括基底以及设置在基底上的微柱；所述红外超透镜能将任何偏振态、偏振方向的红外波聚焦到同一位置处。本发明公开的红外超透镜通过结构单元提供的相位突变,实现了宏观上光学透镜的聚焦效果,具有接近衍射极限的聚焦能力。此外,该红外超透镜具有极薄的厚度和高效的聚焦能力,有望在复杂的红外成像系统中得到很好的应用。(The invention discloses a polarization-independent infrared lens based on a full-low refractive index medium super-surface structure, wherein the polarization-independent infrared lens is obtained by arranging n structural units according to a specific phase, and n is more than 1; the structural unit comprises a substrate and a micro-column arranged on the substrate; the infrared superlens can focus infrared waves in any polarization state and polarization direction to the same position. The infrared super lens disclosed by the invention realizes the focusing effect of an optical lens on a macroscopic view through the phase jump provided by the structural unit, and has the focusing capacity close to the diffraction limit. In addition, the infrared super lens has extremely thin thickness and high-efficiency focusing capability, and is expected to be well applied to a complex infrared imaging system.)

一种基于全低折射率介质超表面结构的偏振无关红外透镜

技术领域

本发明属于微纳光子学领域，特别涉及一种基于全低折射率介质超表面结构的偏振无关红外透镜。

背景技术

透镜是非常重要的成像元件，在日常生活以及军事工业中应用十分广泛，如手机、相机等。传统透镜是利用光程的积累来实现特定的相位分布，其体积较大，不利于系统的集成化；且其聚焦、成像效果与曲面有关，难以确保曲率精确满足要求，加工难度大。

在透镜的大家族中，红外透镜在红外热成像、红外探测、环境污染检测、红外制导等民用、军事领域中发挥着重要的作用，其具有重要的研究意义。鉴于传统红外透镜的自身限制(尺寸大、加工难、功能单一等)，对超薄、小型化、多功能、易集成、高效率的红外透镜的研究迫在眉睫。

近年，超表面的出现为红外透镜的小型化、集成化、多功能化等开辟了新的途径。超表面是将亚波长的结构单元按照特定排列组合而成，其能实现特定的功能。目前基于超表面的单波长的红外透镜已经被多次报道，例如：2012年，Capasso等利用V形金棒的等离子体超表面实现了1.55um的近红外波的聚焦。2015年，Faraon等利用玻璃基底和圆硅柱，也实现了1.55um的近红外波聚焦。2018年，Ting Xu等利用硅基底和圆硅柱，实现了10.6um的中红外波的聚焦。同年，他们又利用氟化钡基底和椭圆硅柱，实现了10.6um的中红外波的偏振依赖的双焦点聚焦。2020年，Zhigang Fan等利用氟化钙基底和交叉硅柱实现了4.8um的中红外波聚焦。此外，一些基于超表面的消色差的红外透镜也已经被Tsai等研究小组证实。

尽管已经有许多关于红外超透镜的研究，但是没有对全低折射率、低损耗介质的红外超透镜的研究报道。低折射率介质与周围环境(空气)的交界面上的阻抗与环境阻抗更相匹配，可以减小红外波在交界面上的反射损失，增强红外波的透射能力，进而能提高红外超透镜的聚焦效率，因此有必要对全低折射率介质的红外超透镜进行研究。

发明内容

本发明针对现有技术的缺陷，提供了一种基于全低折射率介质超表面结构的偏振无关红外透镜。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种基于全低折射率介质超表面结构的偏振无关红外透镜，所述偏振无关红外透镜由n个结构单元按特定相位排列得到，n＞1；所述结构单元包括基底以及设置在基底上的微柱；所述红外超透镜能将任何偏振态、偏振方向的红外波聚焦到同一位置处。

进一步的，结构单元的排列需要满足以下要求：

(1)当红外波正入射时，超透镜的相位分布应满足如下式1：

其中，λ_d是工作波长，(x,y)是位置坐标,为红外透镜的焦距。

(2)当红外波斜入射时，超透镜的相位分布则应满足如下式2：

其中，α为入射角，(x₀,y₀)为红外透镜焦平面上焦点的位置坐标。

进一步的，微柱的横截面为对称图形。

进一步的，微柱为圆柱或方柱。

进一步的，结构单元采用低折射率、高透过率的材料，基底和微柱可采用相同或不同的材料。

进一步的，结构单元采用氟化钡或氟化钙。

进一步的，结构单元的基底是周期性的，纳米柱的高度与红外光波长可比拟，纳米柱的不同尺寸的能够提供0～2π的相位覆盖，并且根据所选结构数量n等相位间隔，将其离散化为n阶相位。

一种基于全低折射率介质超表面结构的偏振无关红外透镜，该偏振无关红外超透镜包括低折射率、低损耗的介质基底和基于其上的微柱两部分，是由结构单元按特定的相位分布排列而成。其中，微柱为中心对称的结构，如圆柱、方柱等；特定的相位分布是由焦距、工作波长等因素决定，如下：

(1)当光正入射时，所述超透镜的相位分布应满足如下关系式

其中，λ_d是工作波长，(x,y)是位置坐标,为超透镜的焦距。

(2)当光斜入射时，所述超透镜的相位分布则应满足如下关系式：

其中，α为入射光角，(x₀,y₀)为焦平面上焦点的位置坐标。

根据工作波长需要，基底和柱体选择低折射率、高透过率的材料，如氟化钡、氟化钙等。

柱体应选择圆柱、方柱等中心对称的结构，即：柱体的平行于基底的横截面应为圆形、方形等。

选取能提供2π的相位覆盖的、等相位间隔的若干个结构单元，如8个、12个、16个等，且这些结构单元在所述工作波长应具有高的透射率。

超透镜对入射波的偏振不敏感，即：任何偏振态、偏振方向的红外入射波通过所述红外超透镜都能聚焦到同一点上。

本发明的有益效果为：

(1)本发明的红外超透镜与传统红外透镜相比，具有超薄、易集成等优点，且能够实现接近衍射极限的聚焦能力。

(2)本发明的红外超透镜采用全低折射率、低损耗的介质材料。加之，选择的结构单元具有高的透射效率，因此，本发明的红外超透镜具有较高的聚焦效率。

(3)基于本发明的红外超透镜，可以构成红外超透镜阵列，实现红外波段的光场成像，拓展了红外超透镜的应用。

附图说明

图1本发明偏振无关红外超透镜的聚光示意图。

图2本发明实施例中，结构单元的俯视图。其中，A是氟化钡基底，B是氟化钡方柱。

图3本发明实施例中，结构单元的立体图。其中，A是氟化钡基底，B是氟化钡方柱。

图4本发明实施例中，偏振无关方型红外超透镜结构的俯视图。

图5本发明实施例中，选取的八种结构单元的透射率以及提供的相位突变。

图6本发明实施例中，偏振无关方型红外超透镜焦点处的x-y平面上的电场分布。

图7本发明实施例中，偏振无关方型红外超透镜x-z平面上的电场分布。其中虚线表示焦点的z值。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

一种基于全低折射率介质超表面结构的偏振无关红外透镜，当光正入射时，技术方案如下：

选择工作波长和焦长。本实施例中选择工作波长λ_d＝10μm，焦长f＝300μm。

理论设计。本实施例中，当红外波正入射时，要实现λ_d＝10μm的红外波聚焦到焦长f＝300um处，其需要的相位的空间分布如下：

其中，x、y为位置坐标。

图1是偏振无关红外透镜的聚光示意图。

选取对工作波长具有低折射和高透射的材料。本实施例中选择BaF₂作为基底和微柱的材料，如图2和图3。

选择合适的柱状结构。为了要实现对入射红外波的偏振无关特性，本实施例中选择横截面为方形的方柱结构，如图2和图3中的A。

选择一组覆盖2π相位变化的合适的结构单元。本实施列中，结构单元如图2和图3所示，其中，结构单元的周期P＝10μm、柱体的高度h＝26μm。利用FDTD Solution软件仿真得到能够实现相位间隔均匀递增(π/4)、2π相位覆盖以及高透射率的8个结构单元。这8个结构单元的柱体边长分别为1.5μm、2.9μm、3.7μm、4.44μm、5.45μm、6.47μm、7.5μm、8.5μm，分别产生了0π、π、的相位突变，每个结构单元的透射率均大于77％，如图4所示。

红外超透镜效果仿真。本实施例中，超透镜为方形，尺寸为150μm×150μm，其俯视图如图5所示。按照b中理论设计计算出来的相位空间分布，选择合适结构单元放置在相应的位置上，排列构成了红外超透镜。然后利用FDTD，对本实施例中的方形超透镜进行仿真。焦点处的x-y平面上的电场分布如图6所示，x-z平面内的电场分布如图7所示。方形红外超透镜透光率及聚焦效率分别为85％和48％。值得注意的是，在仿真过程中，x、y和z三个方向上的边界条件都设置为完美匹配吸收层边界条件(Perfectly matched layers,PML)。

本发明未尽事宜为公知技术。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。