一种光束整形器及其制作方法

本发明涉及超构表面，具体涉及一种光束整形器及其制作方法。

背景技术：

1、在光学领域中，扩束器和缩束器是常用的光束整形器件，用于改变激光光束的尺寸和形状。

2、传统的扩束器和缩束器通常采用透镜或反射镜系统来实现光束的扩大或缩小。传统扩束器和缩束器通常需要使用多个透镜或反射镜，导致整个系统的体积较大，不利于小型化和集成化，增加了制造成本和难度；同时透镜和反射镜的制造和装配需要高精度，而传统扩束器和缩束器的光束质量受到透镜或反射镜的表面质量、光学误差和热稳定性等因素的影响，这些因素可能导致光束的能量分布不均匀、光束质量不稳定等问题。

3、近年来发展出的超构表面透镜，有望应用于扩束、缩束系统中，实现小型化、集成化的光束操作。但典型的超构透镜需要用到不同介电材料的组合，特别是高折射率的功能单元与基底材料不一致，这使得器件加工程序复杂，加工效率低，难以实现广泛大规模应用。

技术实现思路

1、针对现有技术需要用到不同介电材料的组合，使得器件加工程序复杂，加工效率低，难以实现广泛大规模应用的不足，本发明提出一种光束整形器及其制作方法，采用了单介质的超构透镜代替了传统的透镜和典型的多材料超构透镜，使扩束器、缩束器的生产与应用小型化、集成化，并且不受材料种类限制，从而推动超构表面技术走向实用，从而解决现有技术存在的问题。

2、一种光束整形器，包括两个焦距和直径不同的超构透镜；

3、每个所述超构透镜包括用于透射入射光的单介质透明衬底以及在该透明衬底一侧刻蚀的多个单介质柱，多个所述单介质柱构成超构表面阵列，用于对透明衬底透射的光束实现相位和幅度调制；

4、两个所述超构透镜具有多个单介质柱的一侧相对设置，其轴心均位于同一条直线上且两个焦点相互重叠；其中，当入射光入射的超构透镜的焦距大于出射的超构透镜的焦距时，该光束整形器为缩束器，相反则为扩束器。

5、进一步地，多个所述单介质柱均为纳米结构，且所述单介质柱与单介质透明衬底为同一种透明材料。

6、进一步地，多个所述单介质柱的直径不均匀。

7、进一步地，多个所述介质柱周期性排布于所述透明衬底的一侧。

8、进一步地，一种光束整形器的制作方法，包括以下步骤：

9、选取两个不同直径大小且用于透射入射光的单介质透明衬底；

10、在每个透明衬底的一侧分别刻蚀多个单介质柱，分别生成超构表面阵列，进而形成两个具有不同焦距大小的超构表面透镜；

11、将两个超构透镜刻蚀了多个单介质柱的一侧相对放置，其轴心位于同一条直线并且使两个超构透镜的焦点相互重叠；

12、根据入射光的方向，当入射光入射时的超构透镜焦距大于出射时超构透镜的焦距时，该光束整形器为缩束器，相反则为扩束器。

13、进一步地，采用电子束或聚焦离子束刻蚀方法在每个透明衬底的一侧分别刻蚀多个单介质柱。

14、进一步地，所述采用电子束刻蚀方法ebl在每个透明衬底的一侧分别刻蚀多个单介质柱，具体包括以下步骤：

15、选取一个铌酸锂晶体ln或任意透明晶体作为衬底，对衬底进行清洗处理；

16、在衬底上均匀涂覆一定厚度的光刻胶；

17、使用电子束曝光系统，根据设计好的图案对衬底进行电子束曝光；其中电子束在光刻胶表面扫描，被曝光区域的光刻胶发生固化或降解；

18、将曝光后的衬底浸入有机显影液中进行显影后，在衬底表面获得多个单介质柱；其中，负性光刻胶发生固化不能够被显影溶解，正性光刻胶发生降解，被显影溶解。

19、进一步地，所述采用聚焦离子束刻蚀方法fib在每个透明衬底的一侧分别刻蚀多个单介质柱，具体包括以下步骤：

20、选取一个铌酸锂晶体ln作为基底，依次进行抛光、清洗、干燥以及表面喷金操作；

21、将基底放置在fib的样品台，开启fib设备将基底暴露在fib产生的离子束下；

22、通过控制fib设备的参数在基底表面刻蚀出多个单介质柱；其中，所述fib设备的参数包括离子束的电压、束流和刻蚀时间。

23、进一步地，经过所述扩束器后的入射光会转化为比入射光直径大的出射光，其出射光与入射光的直径之比为出射光出射时的超构透镜与入射光入射时的超构透镜的焦距之比。

24、进一步地，经过所述缩束器后的入射光会转化为比入射光直径小的出射光，其出射光与入射光的直径之比为出射光出射时的超构透镜与入射光入射时的超构透镜的焦距之比。

25、本发明提供了一种光束整形器及其制作方法，具备以下有益效果：

26、本发明与传统的体块透镜扩束、缩束器和现有的多介质材料超构表面扩束缩束器相比，采用了单介质的超构透镜来代替了传统透镜和典型的多材料超构透镜；本发明提出的基于单一介质超构透镜的扩束器和缩束器加工简单，通过单介质材料的透明衬底以及在该透明衬底一侧刻蚀的多个单介质柱构成两个焦距和直径不同的超构透镜，根据入射光的方向，当入射光入射时的超构透镜焦距大于出射时超构透镜的焦距时为缩束器，相反则为扩束器，该制作方法不受材料种类和复杂加工技术的限制，适用于任何透明介质材料，同时具有小型化、低成本和高稳定性的优点。

技术特征：

1.一种光束整形器，其特征在于，包括两个焦距和直径不同的超构透镜；

2.根据权利要求1所述的一种光束整形器，其特征在于，多个所述单介质柱均为纳米结构，且所述单介质柱与单介质透明衬底为同一种透明材料。

3.根据权利要求1所述的一种光束整形器，其特征在于，多个所述单介质柱的直径不均匀。

4.根据权利要求1所述的一种光束整形器，其特征在于，多个所述单介质柱周期性排布于所述透明衬底的一侧。

5.一种如权利要求1～4任一项所述的光束整形器的制作方法，包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述的一种光束整形器的制作方法，其特征在于，采用电子束或聚焦离子束刻蚀方法在每个透明衬底的一侧分别刻蚀多个单介质柱。

7.根据权利要求6所述的一种光束整形器的制作方法，其特征在于，所述采用电子束刻蚀方法ebl在每个透明衬底的一侧分别刻蚀多个单介质柱，具体包括以下步骤：

8.根据权利要求6所述的一种光束整形器的制作方法，其特征在于，所述采用聚焦离子束刻蚀方法fib在每个透明衬底的一侧分别刻蚀多个单介质柱，具体包括以下步骤：

9.根据权利要求5所述的一种光束整形器的制作方法，其特征在于，经过所述扩束器后的入射光会转化为比入射光直径大的出射光，其出射光与入射光的直径之比为出射光出射时的超构透镜与入射光入射时的超构透镜的焦距之比。

10.根据权利要求5所述的一种光束整形器的制作方法，其特征在于，经过所述缩束器后的入射光会转化为比入射光直径小的出射光，其出射光与入射光的直径之比为出射光出射时的超构透镜与入射光入射时的超构透镜的焦距之比。

技术总结本发明公开一种光束整形器及其制作方法，涉及超构表面技术领域，包括：包括两个焦距和直径不同的超构透镜；每个超构透镜包括用于透射入射光的透明衬底以及在透明衬底一侧刻蚀的多个介质柱；两个超构透镜具有多个介质柱的一侧相对设置，其轴心均位于同一条直线上且两个焦点相互重叠；其中，依据光的入射方向，当第一个超构透镜焦距大于第二个超构透镜时为缩束器，相反则为扩束器；本发明提出的基于单一介质超构透镜的扩束器和缩束器加工简单，不受材料种类和复杂加工技术的限制，适用于任何透明介质材料，同时具有小型化、低成本和高稳定性的优点。技术研发人员：杜波波,杨元通,柳文彪,马亦刚,王玺莹,卢锦贤,张磊,张彦鹏受保护的技术使用者：西安交通大学技术研发日：技术公布日：2024/5/12