[发明专利]超表面透镜的构造方法、超表面透镜

权利要求书

1.一种超表面透镜的构造方法，包括：

建立结构单元库，所述结构单元库包括多种结构单元，所述结构单元包括衬底和柱状结构，所述柱状结构的横截面的图形具有90°角旋转对称性，任意两个结构单元的横截面的形状和尺寸不同；

根据超表面透镜的表面的空间位置和光谱相位的理想分布关系确定理想状态下工作于目标波段和目标焦距的超表面透镜的表面任意空间位置处的最低频相位和相位色散，其中，所述目标波段的入射光聚焦在目标焦距处，所述超表面透镜的表面为二维平面；

对所述结构单元库中的每个结构单元进行仿真，并提取得到每个结构单元所能提供的最低频相位和相位色散；

遍历超表面透镜的表面每个空间位置，根据每个结构单元能提供的最低频相位和相位色散对结构单元库中的结构单元进行筛选，以确定所述空间位置的目标结构单元，所述目标结构单元的最低频相位和相位色散相对于理想状态下所述空间位置处的最低频相位和相位色散具有最小误差；

将所有目标结构单元各自摆放至对应的空间位置上，完成超表面透镜的构造，构造出的超表面透镜在目标波段实现连续消色差。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述目标波段为中波红外波段3-5μm，所述柱状结构包括：方形柱、矩形框柱、同心矩形柱、十字形柱和带矩形框的十字形柱，构造出的超表面透镜在带宽为2μm的范围内实现宽带连续消色差；或者

所述目标波段为长波红外波段8-14μm，所述柱状结构包括方形柱、矩形框柱、同心矩形柱、十字形柱、带矩形框的十字形柱、圆柱、圆环形柱和同心圆柱，构造出的超表面透镜在带宽为6μm的范围内实现宽带连续消色差。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述衬底的材料为硅、锗、CaF₂和MgF₂之一、所述柱状结构的材料为硅或锗。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，根据超表面透镜的空间位置和光谱相位的理想分布关系确定理想状态下工作于目标波段和目标焦距的超表面透镜的表面任意空间位置处的最低频相位和相位色散，包括：

根据所述理想分布关系，利用目标波段内不同的采样波长确定多组相位补偿参数分别对应的超表面透镜的表面不同空间位置处的最佳结构单元；

根据每组相位补偿参数对应的不同空间位置处的最佳结构单元确定每组相位补偿参数对应的品质因数；

根据每组相位补偿参数对应的品质因数确定多组相位补偿参数中的最优参数，其中，所述最优参数用于确定理想状态下工作于目标波段和目标焦距的超表面透镜的表面任意空间位置处的最低频相位和相位色散。

5.根据权利要求2所述的方法，其中，所述方法还包括：

对所述超表面透镜进行仿真，得到所述超表面透镜的近场光场分布和远场光场分布。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述最低频相位为，所述超表面透镜的表面各空间位置处或各结构单元在所述目标波段内的最低频入射光的相位；所述相位色散为所述超表面透镜的表面各空间位置处或各结构单元在所述目标波段内的最高频入射光的相位与所述最低频入射光的相位之差。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，对所述结构单元库中的每个结构单元进行仿真包括：

利用光学仿真软件对每个所述结构单元进行仿真，得到每个所述结构单元在目标波段的透射率和相位信息，并提取每个所述结构单元的最低频相位和相位色散。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述超表面透镜的空间位置和光谱相位的理想分布关系表示如下：

其中，r为空间位置与透镜中心的距离，f为目标焦距，c是光速，ω是入射光的角频率，r₀和C₀为参数。

9.一种超表面透镜，采用如权利要求1-8任一项的方法构造而成。

10.根据权利要求9所述的表面透镜，其中，

所述超表面透镜的各结构单元的衬底相接且呈周期排布；

在目标波段为中波红外波段3-5μm的情况下，所述结构单元的数值孔径为0.20-0.32，所述结构单元的高度为2.5-3.4μm，在所述目标波段内各波长下的平均焦距相比于目标焦距的偏移为2.67-4.67％；或者

在所述目标波段为长波红外波段8-14μm的情况下，所述结构单元的数值孔径为0.32-0.71，所述结构单元的高度为7-16.5μm，在所述目标波段内各波长下的焦距相对于平均焦距的最大偏移为2.48％-5.02％。