[发明专利]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

说明书

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。

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。