一種基于超材料的中紅外波段超薄平板透鏡的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于微納加工技術領域，涉及一種基于超材料的中紅外波段超薄平板透 鏡。
【背景技術】
[0002] 隨著航天領域的迅速發展，航天光學技術問題對成像系統集成化、小型化以及高 分辨率提出了更高的要求。然而，傳統透鏡是通過塑造透鏡的形狀從而改變光程差來實現 成像的，隨著透鏡半徑的增大，對加工的要求越來越苛刻，同時透鏡質量不可避免的迅速變 大，不再能夠滿足集成化，小型化的要求。另一方面，傳統成像受到衍射極限的限制，無法實 現提高分辨率的想法。當天然材料的光學性質無法滿足需求的時候，向人工材料的研宄自 然會成為備受關注的焦點。近幾十年來，等離激元學以及超構材料領域的迅速發展，為尋 找光學高品質的人工材料提供了許多新方法，比如負折射材料以及各向異性人工材料等。 人工超構材料是由大量金屬微納結構組成的人工復合材料，基于人工超構材料的研宄成果 多集中于微波波段，應用于通訊領域，而在紅外可見光波段針對平面波聚焦成像的研宄較 少。國際上具備平面波聚焦成像功能的平板透鏡，其對應的成像波段是通訊波段（1550nm)， 透鏡的直徑約為1mm，焦距7mm。目前，國內外尚無中紅外波段（中心波長10. 6 ym，帶寬 lum)的大尺寸（cm級）平板透鏡。本發明填補了中紅外波段聚焦成像平板透鏡的領域空 白，而且首次加工直徑在厘米級，厚度在毫米量級的超薄平板透鏡，為后續更大尺寸的商業 級超薄平板透鏡提供借鑒。
【發明內容】
[0003] 本發明解決的技術問題是：克服現有技術的不足，提供一種基于超材料的中紅外 波段超薄平板透鏡，解決在航天成像領域傳統透鏡厚度大，重量大，聚焦受到透鏡形狀的 影響的問題。
[0004] 本發明的技術方案是：一種基于超材料的中紅外波段超薄平板透鏡，包括圓形氟 化鋇平板基底；圓形氟化鋇平板基底上刻有V字形金屬棒結構，V字形金屬棒結構上鍍有金 膜；所述V字形金屬棒結構設計如下：
[0005] 根據完美聚焦相位分布公式：
其中A是自由空間的波長，f 是平板透鏡的焦距，r是V字形金屬棒結構距離平板透鏡中心的距離，分別把不同相位供的 V字形金屬棒結構排列于不同半徑r處，不同V字形金屬棒結構沿徑向排布，形成同心環； 其中，每個同心圓環上排布的V字形金屬棒結構相同，且個數n = 2Jir/a，其中a為每個V 字形金屬棒結構所占據的正方形空間的邊長。
[0006] 所述圓形氟化鋇平板基底厚度為1mm，半徑為10mm。
[0007] 所述相位供為每隔31 /8增加相位值，共16組V字形金屬棒結構；其中每組V字形 金屬棒結構包括兩個金屬棒單元，且兩個金屬棒單元形狀尺寸相同；16組V字形金屬棒結 構中的8組V字形金屬棒結構單元的長度h分別為1. 78、1. 5、1. 33、1. 18、1. 13、0. 98、1和 0. 68ym，對應每組V字形金屬棒結構中兩個金屬棒單元的夾角A分別為45°、45°、60°、 60°、90°、90°、180°和180° ;其中，以平板透鏡基底為平面建立平面直角坐標系，每組 兩個金屬棒單元形成的夾角A的開口方向與平板透鏡基底XY平面上的X軸正向夾角為 45° ;16組V字形金屬棒結構中的另外8組V字形金屬棒結構單元的長度h分別為1. 78、 1. 5、1. 33、1. 18、1. 13、0. 98、1和0. 68 y m，對應每組V字形金屬棒結構中兩個金屬棒單元的 夾角A分別為45°、45°、60°、60°、90°、90°、180°和180°，其中，每組兩個金屬棒單 元形成的夾角A的開口方向與平板透鏡基底XY平面上的X軸正向夾角為-45°。
[0008] 所述平板透鏡的焦距f = 3mm，每個V字形金屬棒結構所占據的正方形空間的邊長 a = 5 y m ;每個金屬棒單元線寬約為1 y m。
[0009] 本發明與現有技術相比的有益效果是：
[0010] (1)本發明與傳統凸透鏡相比，其面型為超薄平板，大大降低了透鏡的質量和大 小，實現了成像系統的集成化和小型化。
[0011] (2)本發明首次提出了 16組不同形狀的金屬棒設計，首次解決了平板透鏡在小半 徑區域成像效果不佳的問題。
[0012] (3)本發明利用人工超構材料實現透鏡制備，其特殊的光學性質將會為未來實現 超分辨率成像提供可能的辦法。
【附圖說明】
[0013] 圖1為本發明平板透鏡基板上V字形金屬棒結構布局設計版圖。
[0014]
【具體實施方式】
[0015] 利用V字形金屬棒結構電共振效應，可以將共振區域附近的金屬微納結構看做納 米天線。考慮到入射光波長遠大于納米天線長度，因此金屬納米天線可以等效于電偶極子， V字形金屬棒結構天然具有兩種共振激發方式，即對稱模式（Symmetric mode)和反對稱模 式（Antisymmetric mode)。由于入射光在兩個方向的激發效果不同，使得兩個方向的振動 相互轉化，實現從入射偏振（A)波到出射偏振（B)波的特殊相位變化。其中，A波B波振動 相互垂直。具體計算時利用Maxwell方程和具體的邊界條件計算相應的電磁波的吸收與輻 射效果。
[0016] 本發明以圓形氟化鋇作為平板基底（厚度約為1_，半徑約為10mm)，針對中紅外 波段（9. 6~11. 6um)設計透鏡焦距f = 3_。利用光刻方法將設計的V字形金屬棒結構 (線寬約為1 U m)圖案轉移到BaF2基片上，形成V字形金屬棒結構凹槽結構，采用電子束蒸 發方法在基片鍍上金（Au)膜，覆蓋在V字形金屬棒結構凹槽結構上，隨后進行基片清洗去 除表面多余的Au膜，即獲得了超薄平板透鏡。
[0017] 對稱模式（Symmetric mode)和反對稱模式（antisymmetric mode)這兩種模 式的共振激發效果主要取決于V字形金屬棒結構的金屬棒單元長度和金屬棒單元間夾 角。另一方面，由于V字形金屬棒結構存在間隙，因此仍然存在正常折射的光。通過改變 V字形金屬棒結構型結構在基底上的密度，以及V字形金屬棒結構的金屬棒單元長度h、 金屬棒單元間夾角△、線寬等控制光的相位變化以及反常折射光的光強。針對上述變量 的合理選擇問題，通過FDTD數值模擬方法，對不同的V字形金屬棒結構進行計算獲取振 幅變化以及相位變化與V字形金屬棒結構參數的關系數據，將圖1中透過率較高的點取 出來，然后根據