[发明专利]一种三维亚波长金属结构透镜

说明书

技术领域

本发明涉及一种透镜设计方法，具体地说是一种新型的三维亚波长金属结构透镜。

背景技术

1998年，Ebbessen等人发现：当光通过亚波长金属孔阵列时，其零阶透射光谱在某些波长的透射率数值比经典孔径理论的期望值大几个数量级。这项发明引起了人们极大的兴趣，对异常透射现象的研究也随之成为热潮。此时的研究对象主要集中于二维周期性排列的孔阵列和单个亚波长金属孔，所有与异常透射有关的因素：金属结构本身的几何形状，材料，结构大小，相对位置，入射光的频率和偏振方向，周期性排列方式，以及亚波长结构周围介质种类等一一被揭露。通过实验观察和理论建模得出的结果显示：组成二维金属孔面阵的各线阵间存在电磁耦合作用。当两条线阵间距约等于线阵内孔的周期时透射最大，即耦合作用最明显。同等面积的矩形孔比圆孔具有更高的透射率。对于单个矩形孔来说，其长短边比值越大，面积均一化的透射率也越大。采用其他方法比如在孔内填充介质，也可以提高透射。但是这些研究均集中在透过率增强方面，为了设计高透过率的亚波长光学器件，必须研究其相位特性，国内史浩飞研究了二维金属缝对相位的调制特性，罗先刚研究了二维金属槽对相位的调制特性，但是只能实现相位在0到π之间的调制，无法进行实际的三维亚波长金属结构透镜的设计。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对现有的二维金属缝和槽结构的不足，提供一种能够实现相位在-π到π之间调制的三维金属结构透镜设计方法。

本发明的技术解决方案：一种三维金属结构透镜设计方法，其特点在于步骤如下：

(1)根据入射波长λ，确定基底材料以及金属材料；

(2)确定金属层的厚度h；

(3)针对单个方形金属孔结构，由计算得到相位延迟和方孔大小之间的关系为：

其中表示相位延迟，λ表示入射波长，a表示方孔边长大小，选取合适边长的亚波长方孔，即可完成相位延迟从-π到π的调制；

(4)透镜焦距为f，通过衍射理论求得其表面任意点(x，y)处的相位，其表达式如下：

其中m为任意整数，选取m值，使相位(x，y)处于-π到π之间；

(5)计算所设计透镜取样点的相位，根据相位延迟与方孔大小之间的关系，确定每一取样点所对应的亚波长方孔大小，从而在金属层中嵌入不同大小的方孔结构，即可设计金属结构透镜。

所述步骤(1)中的基底材料为：红外材料硅或锗、或可见光材料石英，或玻璃。

所述步骤(1)中的金属材料为金、或银。

所述步骤(2)中的金属层厚度h可以为1.6λ～2λ。

所述步骤(3)中的金属方孔尺寸大小均小于入射波长，即为亚波长量级。

所述步骤(4)中透镜上各取样点按正方形排布，选取取样间距，以确保取样点足够多并且相邻取样方孔不重叠。

本专利技术所具有的益处是：

1、本专利技术通过对亚波长金属结构的特性研究扩展到三维方向上，通过计算获得了相位延迟跟方孔大小之间的调制关系，然后通过衍射理论计算获得功能元件表面的相位分布，通过采用大小不同的亚波长金属方孔结构来实现每一点的相位延迟，能够实现相位在-π到π之间调制，从而实现三维金属结构透镜的设计。

2、本专利技术在一块金属层上面即可以完成透镜的设计，设计过程简单，并且制作相对比较简单。

本专利技术设计所得的透镜是一种衍射型透镜，相比其他的衍射型透镜，其衍射效率更高。

附图说明

图1为本发明的金属方孔结构示意图；

图2为本发明的方孔大小与相位延迟之间的关系图；

图3为本发明设计所得的金属结构透镜示意图，其中黑色部分表示金属，为不透光区，白色部分为方孔，为透光区。

具体实施方式

下面结合具体实施方式及附图对本发明进行详细说明，但本发明的保护范围并不仅限于下列实施例，应包括权利要求书中的全部内容。而且本领域技术人员从以下的一个实施例即可实现权利要求中的全部内容。

具体实施例一种应用亚波长金属小孔进行结构透镜设计的过程如下：

(1)选取入射波长为10.6μm，基底材料采用红外材料锗，金属材料为银；

(2)确定金属层的厚度为1.8λ，即为19.08μm；

(3)假设入射角为0度，各点金属层厚度均相同，通过求解方程组获得方孔大小跟相位延迟之间的关系如图2所示，从图中可以看出，选取波长为0.532λ(5.64μm)到0.895λ

(9.5μm)之间的亚波长方孔，即可完成相位延迟从-π到π的调制，也就是完成一个相位调制周期；