[发明专利]一种宽带消色差全介质平面透镜的制作方法

说明书

本发明提供一种宽带消色差全介质平面透镜的制作方法，包括：推导等效折射率分布公式并求频率的偏导数；选择透镜材料；计算每种柱状结构单元所对应的宽带光谱响应；计算出每种柱状结构单元对应的等效折射率；确定消色差平面透镜半径R、透镜焦距f，对介质衬底上半径为R的区域进行周期性取样，得到多个取样点；计算每个取样点等效折射率，得到每一取样点对应的柱状结构单元；在介质衬底上排列出相同厚度的不同柱状介质结构，完成透镜的制作。本发明提供了一种宽带消色差全介质平面透镜的制作方法，制作出连续带宽范围内消色差的带宽消色差全介质平面透镜，该透镜通过等效折射率方面和全介质材料实现将带宽范围内的光聚焦到近似同一焦平面的技术效果。

技术领域

本发明涉及微纳光学及光学成像领域，更具体的，涉及一种宽带消色差全介质平面透镜的制作方法。

背景技术

超表面(Metasurface)是一种由特定几何形状的亚波长结构单元、按照一定规则组合而成的二维纳米阵列，其光学厚度仅在百纳米量级，是一种光学人工复合材料。超表面能够实现纳米尺度下的精准光场调控，包括调控波长、振幅、相位、偏振等光学自由度，在平面光子学、纳米光子学、近场光学、自旋光学等领域扮演着重要角色。随着超表面不断受到关注，各种基于光学超表面的平面透镜也随之发展，使光学成像技术迎来了新的飞跃。与传统光学透镜相比，由纳米结构组成的平面透镜，结合了传统光学成像技术与现代光学超材料技术，具有调控自由度高、光学特性丰富、轻量化和集成化程度高等明显的优势。

虽然光学平面透镜发展迅速，各种功能的光学平面透镜相继被提出，但其所适用的带宽范围大多为单波长，即存在严重的色散现象。部分平面透镜虽实现了双波长或三波长的消色差效应，但所适用波长范围仍旧是分立的几个波长，对白光或连续带宽的光依旧存在普遍的色差。

发明内容

本发明为克服上述现有的微纳技术制得的光学平面透镜适用波长范围大多为单波长、双波长、三波长或多个分立波长，对白光等连续带宽光源存在色差的技术缺陷，提供一种宽带消色差全介质平面透镜的制作方法。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种宽带消色差全介质平面透镜的制作方法，包括以下步骤：

S1：根据宽带消色差透镜的相位分布和透射式平板相位分布，得到宽带消色差透镜所需满足的等效折射率分布公式；

S2：对等效折射率分布公式求频率的偏导数，得到等效材料色散分布公式；

S3：确定消色差带宽范围，在介质材料中选择介质衬底材料、透镜结构材料；

S4：根据选择的介质衬底材料、透镜结构材料选择确定厚度的各种柱状结构单元并选定周期排列方式，计算每种柱状结构单元所对应的宽带光谱响应；

S5：根据宽带光谱响应及等效材料色散分布公式筛选出在所需消色差带宽范围内无等效材料色散的柱状结构单元，计算出每种柱状结构单元对应的等效折射率；

S6：根据得到等效折射率的范围确定所需消色差平面透镜半径R、透镜焦距f，选取适当的常数值α和β，对介质衬底上半径为R的圆形区域进行周期性取样，得到多个取样点；

S7：根据等效折射率分布公式计算得到每个取样点所需的等效折射率，将得到的等效折射率与步骤S5中得到的每种柱状结构单元对应的等效折射率作对比，得到每一取样点对应的柱状结构单元；

S8：根据得到的柱状结构单元，在介质衬底上排列出相同厚度的不同柱状介质结构，从而完成宽带消色差全介质平面透镜的制作。

其中，在所述步骤S1中，所述宽带消色差透镜的相位分布具体计算公式为：

所述透射式平板相位分布具体计算公式为：