一种中长波双波段超透镜及其设计方法

本发明属于超表面超透镜成像，具体涉及到一种中长波双波段超透镜及其设计方法。

背景技术：

1、在红外成像探测，激光武器制导等领域中，现有的超表面透镜设计主要集中在特定波段，例如可见光或红外波段，这种设计通常依赖于单元材料在特定频段的折射率和色散特性，限制了其在不同波段的适用性。

2、对于双波长超透镜设计，目前多采用双层级联式超透镜如杨辉，李冠海等人设计的双波长消色差超透镜，通过两部分超透镜分别调控1μm和1.55μm波长的相位分布再级联合并实现整体的聚焦效果，但是这样牺牲了透过率以及聚焦效率，且双层级联式结构不够集成化。

3、最近由程国，郑志帅等人发表的双波段远场超透镜设计与分析，提供了一种在632.8nm和1265.6nm的工作波长下远场共聚焦超透镜设计方法，该双波段超透镜是由两种不同的纳米棒分别控制两个波长的光波相位调控，两种不同的纳米棒在同一平面上规律排列，其可以实现可见光波段和近红外波段的双波段远场共共聚焦，但是其波段跨度较小，仅有600nm左右，难以满足在中波红外和长波红外波段下的工作条件，无法实现大跨度的不同波段的光波共聚焦成像，同时由于两种纳米棒排列在同一平面但是高度不同，这就大大增加了加工制造的难度，因此制造成本高，难以满足工业化生产的需要。

技术实现思路

1、本发明提供了一种中长波双波段超透镜及其设计方法以解决现有技术中存在的无法在中长红外双波段下进行大范围跨波段聚焦成像的问题。

2、为了达到本发明的目的，本发明的技术方案是：一种基于复合微纳结构的大跨度中长波双波段超透镜，包括基底，所述基底上设置有由多个长波红外超透镜单元组成的长波红外超透镜，所述长波红外超透镜单元结构为长方体结构；所述长波红外超透镜单元上部设置有中波红外超透镜单元组成的阵列，阵列为正方形矩阵结构。

3、进一步的，上述中波红外超透镜单元构成3*3，2*2或1*1的矩形阵列。

4、进一步的，上述中波红外超透镜单元为圆柱体结构。

5、进一步的，上述长方体结构高6.5μm，周期2μm，半径范围0.63-1.8μm；所述圆柱结构高6.6μm，周期0.5μm，半径范围0.07-0.2μm。

6、进一步的，上述基底材料为caf2，所述长波红外超透镜单元和中波红外超透镜单元材料为si。

7、进一步的，上述一种中长波双波段超透镜的设计方法，选定材料结构后通过有限差分时域方法对两波段单元仿真优化性能参数，满足相位延迟达到2π，先依据波前重构方程构建长波红外超透镜单元阵列，构建好长波红外超透镜后，求得所有长波红外超透镜单元位置以及单元结构大小，并根据此数据设计中波红外超透镜单元矩阵结构和各单元位置，满足中波红外超透镜单元矩阵结构能够完整落在长波红外超透镜单元上，一对一设置完成后，构建满足波前重构方程的中波红外超透镜，完成中长波双波段超透镜设计。

8、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

9、1、本发明结构上采用了三层叠置的方式，通过长波红外超透镜单元和中波红外超透镜单元的叠加，实现了中长红外双波段共聚焦成像，光波通过该结构时，会被各自波段的单元结构调控，同时通过紧凑型复合微纳结构，实现了大跨度光波段共聚焦成像，同时集成化程度高。

10、2、本发明将两种波段的单元结构紧凑叠加形成复合微纳结构，基于复合微纳结构设计的超透镜可以在中波红外波段和长波红外波段自由匹配不同波长，只需要调整长波红外超透镜单元和中波红外超透镜单元的参数，就可以实现大范围跨波段聚焦成像，并且可以实现多波段光波焦距的有效分离和精确控制。

11、3、本发明所设计的中长波双波段超透镜可以实现红外双波段共孔径聚焦，在长波光场调控时超透镜透过率高达78％，中波光场调控时超透镜透过率达到45％。

12、4、本发明的设计方法简单易行，参数设计可调节范围广，特别适合于大规模的工业化生产设计，可广泛应用于光学红外制导。

技术特征：

1.一种中长波双波段超透镜，其特征在于：包括基底(1)，所述基底(1)上设置有由多个长波红外超透镜单元(2)组成的长波红外超透镜，所述长波红外超透镜单元(2)结构为长方体结构；所述长波红外超透镜单元(2)上部设置有中波红外超透镜单元(3)组成的阵列，阵列为正方形矩阵结构。

2.根据权利要求1所述的一种中长波双波段超透镜，其特征在于：所述中波红外超透镜单元(3)构成3*3，2*2或1*1的矩形阵列。

3.根据权利要求2所述的一种中长波双波段超透镜，其特征在于：所述中波红外超透镜单元(3)为圆柱体结构。

4.根据权利要求1-3任意一项权利要求所述的一种中长波双波段超透镜，其特征在于：所述长方体结构高6.5μm，周期2μm，半径范围0.63-1.8μm；所述圆柱结构高6.6μm，周期0.5μm，半径范围0.07-0.2μm。

5.根据权利要求4所述的一种中长波双波段超透镜，其特征在于：所述基底材料为caf2，所述长波红外超透镜单元(2)和中波红外超透镜单元(3)材料为si。

6.根据权利要求1所述的一种中长波双波段超透镜的设计方法，其特征在于：选定材料结构后通过有限差分时域方法对两波段单元仿真优化性能参数，满足相位延迟达到2π，先依据波前重构方程构建长波红外超透镜单元阵列，构建好长波红外超透镜后，求得所有长波红外超透镜单元(2)位置以及单元结构大小，并根据此数据设计中波红外超透镜单元矩阵结构和各单元位置，满足中波红外超透镜单元矩阵结构能够完整落在长波红外超透镜单元(2)上，一对一设置完成后，构建满足波前重构方程的中波红外超透镜单元，完成中长波双波段超透镜设计。

技术总结本发明涉及一种中长波双波段超透镜及其设计方法。超透镜包括基底，所述基底上设置有由多个长波红外超透镜单元组成的长波红外超透镜，所述长波红外超透镜单元结构为长方体结构；所述长波红外超透镜单元上部设置有中波红外超透镜单元组成的阵列，阵列为正方形矩阵结构。本发明通过紧凑型复合微纳结构，实现了大跨度光波段共聚焦成像，同时集成化程度高，可以实现多波段光波焦距的有效分离和精确控制；在长波光场调控时超透镜透过率高达78%，中波光场调控时超透镜透过率达到45%；本发明的设计方法简单易行，参数设计可调节范围广，特别适合于大规模的工业化生产设计。可广泛应用于光学红外制导技术中。技术研发人员：朱业传,贺思文,周顺,刘卫国受保护的技术使用者：西安工业大学技术研发日：技术公布日：2024/6/5