[发明专利]一种基于超材料的中红外波段超薄平板透镜

说明书

技术领域

本发明属于微纳加工技术领域，涉及一种基于超材料的中红外波段超薄平板透镜。

背景技术

随着航天领域的迅速发展，航天光学技术问题对成像系统集成化、小型化以及高分辨率提出了更高的要求。然而，传统透镜是通过塑造透镜的形状从而改变光程差来实现成像的，随着透镜半径的增大，对加工的要求越来越苛刻，同时透镜质量不可避免的迅速变大，不再能够满足集成化，小型化的要求。另一方面，传统成像受到衍射极限的限制，无法实现提高分辨率的想法。当天然材料的光学性质无法满足需求的时候，向人工材料的研究自然会成为备受关注的焦点。近几十年来，等离激元学以及超构材料领域的迅速发展,为寻找光学高品质的人工材料提供了许多新方法,比如负折射材料以及各向异性人工材料等。人工超构材料是由大量金属微纳结构组成的人工复合材料，基于人工超构材料的研究成果多集中于微波波段，应用于通讯领域，而在红外可见光波段针对平面波聚焦成像的研究较少。国际上具备平面波聚焦成像功能的平板透镜，其对应的成像波段是通讯波段(1550nm)，透镜的直径约为1mm，焦距7mm。目前，国内外尚无中红外波段(中心波长10.6μm，带宽1μm)的大尺寸(cm级)平板透镜。本发明填补了中红外波段聚焦成像平板透镜的领域空白，而且首次加工直径在厘米级，厚度在毫米量级的超薄平板透镜，为后续更大尺寸的商业级超薄平板透镜提供借鉴。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于超材料的中红外波段超薄平板透镜，解决在航天成像领域传统透镜厚度大，重量大，聚 焦受到透镜形状的影响的问题。

本发明的技术方案是：一种基于超材料的中红外波段超薄平板透镜，包括圆形氟化钡平板基底；圆形氟化钡平板基底上刻有V字形金属棒结构，V字形金属棒结构上镀有金膜；所述V字形金属棒结构设计如下：

根据完美聚焦相位分布公式：其中λ是自由空间的波长，f是平板透镜的焦距，r是V字形金属棒结构距离平板透镜中心的距离，分别把不同相位的V字形金属棒结构排列于不同半径r处，不同V字形金属棒结构沿径向排布，形成同心环；其中，每个同心圆环上排布的V字形金属棒结构相同，且个数n＝2πr/a，其中a为每个V字形金属棒结构所占据的正方形空间的边长。

所述圆形氟化钡平板基底厚度为1mm，半径为10mm。

所述相位为每隔π/8增加相位值，共16组V字形金属棒结构；其中每组V字形金属棒结构包括两个金属棒单元，且两个金属棒单元形状尺寸相同；16组V字形金属棒结构中的8组V字形金属棒结构单元的长度h分别为1.78、1.5、1.33、1.18、1.13、0.98、1和0.68μm，对应每组V字形金属棒结构中两个金属棒单元的夹角Δ分别为45°、45°、60°、60°、90°、90°、180°和180°；其中，以平板透镜基底为平面建立平面直角坐标系，每组两个金属棒单元形成的夹角Δ的开口方向与平板透镜基底XY平面上的X轴正向夹角为45°；16组V字形金属棒结构中的另外8组V字形金属棒结构单元的长度h分别为1.78、1.5、1.33、1.18、1.13、0.98、1和0.68μm，对应每组V字形金属棒结构中两个金属棒单元的夹角Δ分别为45°、45°、60°、60°、90°、90°、180°和180°，其中，每组两个金属棒单元形成的夹角Δ的开口方向与平板透镜基底XY平面上的X轴正向夹角为-45°。

所述平板透镜的焦距f＝3mm，每个V字形金属棒结构所占据的正方形空间的边长a＝5μm；每个金属棒单元线宽约为1μm。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明与传统凸透镜相比，其面型为超薄平板，大大降低了透镜的质量和大小，实现了成像系统的集成化和小型化。

(2)本发明首次提出了16组不同形状的金属棒设计，首次解决了平板透镜在小半径区域成像效果不佳的问题。

(3)本发明利用人工超构材料实现透镜制备，其特殊的光学性质将会为未来实现超分辨率成像提供可能的办法。

附图说明

图1为本发明平板透镜基板上V字形金属棒结构布局设计版图。

具体实施方式