[发明专利]基于相变材料Sb2

说明书

本发明公开了一种基于相变材料Sb₂S₃的近红外热调制变焦超构透镜，包括底层的椭圆Si纳米柱和上层的椭圆Sb₂S₃纳米柱；椭圆Si纳米柱周围沉积有填充材料SiO₂，填充材料SiO₂和椭圆Sb₂S₃纳米柱之间沉积有ITO层。本发明将相变材料Sb₂S₃用于热调制变焦超构透镜。在近红外区域内，Sb₂S₃的非晶态和晶体态之间不仅有实部折射率变化，而且两种状态下的损失都很低。通过将Sb₂S₃在两种状态之间进行切换，实现可变焦距的双层超构透镜。透镜各焦点的最大半高宽接近衍射极限。两个焦点的聚焦效率可达50％以上。该超构透镜具有热控制和良好的成像效果等优点，在多功能器件、生物医学、通信和成像等领域具有巨大的应用潜力。

技术领域

本发明涉及超构透镜技术领域，具体涉及一种基于相变材料Sb₂S₃的近红外热调制变焦超构透镜。

背景技术

作为一种基于超构表面的新兴技术，超构透镜不仅体积小，而且具有前所未有的控制入射光波前聚焦的能力，为光学透镜的集成化提供了一个新的平台。随着超构透镜研究的快速发展，超构透镜在实际应用中的局限性逐渐显现，例如工作带宽有限、焦距固定等。因此，许多研究都致力于可调超构透镜。对于可调超构透镜，变焦超构透镜是最重要的组成部分之一。变焦超构透镜使传统透镜的微型化应用成为可能，例如警报、激光加工、虚拟成像和探测。近年来，人们对微机电系统(MEMS),横向驱动和柔性衬底等变焦策略进行了广泛的研究。然而，精确的机械结构或高电压的要求可能会限制实际应用。另一方面，超构透镜也实现了将x偏振光和y偏振光在不同焦点上进行聚焦，或将右旋光和左旋圆偏振光在不同焦点上进行聚焦。但在实际应用中，光源相同的变焦透镜是最常见的。

除上述方法外，具有明显的相变，开关速度快等特点的相变材料也可以用于制备变焦超构透镜。Ge₂Sb₂Te₅(GST)是最常见的用于超构透镜的相变材料，其折射率在非晶态和晶体态之间有显著变化，且切换速度快。但是，晶态GST中存在着不可忽视的吸收。因此，对于一个超构透镜，GST通常用于控制焦点的有无。通过将一个超构透镜分为多个区域，每个区域对应一个焦点，通过开关不同的焦点，可以实现不同变焦超构透镜。但这种方式将会减少焦点的聚焦效率. 二氧化钒(VO₂),另外一种广泛使用的相变材料,可以在介质态和金属钛之间进行相变的切换。二氧化钒已经被用来实现在透射型聚焦和反射性聚焦的切换，但是两种状态下超构透镜的焦距是不能改变的。此外，二氧化钒需要恒定的热能来维持金属态也限制了它的应用。上述相变材料在用于作更为实用的透射型变焦超构透镜时存在局限性。近年来，有研究表Sb₂S₃具有超低损耗可逆相变特性.在发掘了Sb₂S₃的相变特性后，基于Sb₂S₃的布拉格光栅和动态滤波器被研究出来。作为相变材料，Sb₂S₃在非晶态和晶体态均为低吸收介质。在800nm-1600nm 波长范围内，折射率实部的变化约为0.6，为近红外透射型变焦超构透镜的设计提供了可能。此外，利用热控或光控，可实现其状态的精确切换。

发明内容

有鉴于此，为了解决现有技术中的上述问题，本发明提出一种基于相变材料Sb2S3的近红外热调制变焦超构透镜，首次将相变材料Sb₂S₃用于基于PB相位的热调制变焦超构透镜。在近红外区域内，Sb₂S₃的非晶态和晶体态之间不仅有实部折射率变化，而且两种状态下的损失都很低。通过将Sb₂S₃在两种状态之间进行切换，实现可变焦距的双层超构透镜。