一种可见光波段的高数值孔径的消色差超透镜

本发明涉及光学领域，具体设计了一种可见光波段的高数值孔径的消色差超透镜。

背景技术：

1、基于亚波长尺度结构的金属表面已成为下一代光学平台，用于完全控制光的性质。根据所设计纳米结构(称为超原子)的几何参数和材料，已经提出了操纵可见光的各种元表面，例如元全息图、等离子共振腔、相位控制器件和紧凑型光子器件。特别是，由于具有各种工业应用和优于传统透镜的优势，如其超薄紧凑集成、多功能和可见光谱中的高数值孔径(na)成像，所有介电金属透镜都受到了极大的关注。

2、然而，与传统的折射透镜一样，色散是金属透镜的一个限制因素，这意味着现有的所有电介质金属透镜只能通过一个特定的设计波长工作。近年来，色散一直是超透镜的限制因素，这意味着现有的全电介质超透镜只能在一个特定的设计波长下工作，且数值孔径较小，因此不适用于高分辨率成像系统。

3、根据实际应用，在获得更高分辨率成像的同时，还需要提高透镜的数值孔径，为了解决上述问题，我们提出了一种可见光波段的高数值孔径的消色差超透镜。

技术实现思路

1、根据实际应用，在获得更高分辨率成像的同时，还需要提高透镜的数值孔径，为了解决上述问题，我们提出了一种可见光波段的高数值孔径的消色差超透镜，可实现可见光波段内的高na、高聚焦效率、偏振不敏感、消色差成像。该发明中的结构排布和材料是提升数值孔径和消除色差的关键因素。

2、为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：

3、一种可见光波段的高数值孔径的消色差超透镜，其特征在于：由上下两层结构组成，上层为圆柱形的氢化非晶硅(a-si:h)超原子或者二氧化钛(tio2)，下层为方形玻璃衬底，两者构成一个超表面结构单元，四个结构单元构成一个组，将组内任意单元的超原子替换为其他超原子，最后每个组内只存在两种超原子，多个组构成任意尺寸的超透镜，工作波长范围从532nm到600nm。a-si:h具有低色散和高折射率的特点，tio2具有较为稳定的折射率以及较低的吸收系数，使用这一层a-si:h可以提升结构的数值孔径，从而实现高分辨率成像。

4、本发明进一步设置为：将组内的任意同方向单元的蓝色超原子需分别替换为红色超原子或绿色超原子，该结构可使每个波长的超原子传输的光在焦点处相长干涉，该结构具有更高的聚焦效率。

5、本发明进一步设置为：每个组内只存在三个蓝色超原子和一个红色或绿色超原子，当相邻超原子之间的耦合较弱时，能提高超透镜的实际工作波长，降低多个波长间的差值，该结构能实现更好的消色差成像。

6、本发明进一步设置为：每个组的尺寸都非常小，多个组可以根据实际需求，来构成任意尺寸的超透镜。

7、与现有技术相比，本发明的优点在于：

8、1)本发明设计原理简单、聚焦效率高；

9、2)对于传统的几何透镜而言，减少了自身携带的材料色散；

10、3)氢化非晶硅的消光系数近似为零，比传统透镜有更好的透射率；

11、4)相比其他堆叠的超表面，具有更高的聚焦效率和数值孔径；

12、5)本发明具有可见光波段内的偏振不敏感、消色差的优异特性。

技术特征：

1.一种可见光波段的高数值孔径的消色差超透镜，其特征在于：由上下两层结构组成，上层为圆柱形超原子，下层为方形衬底，两者构成一个超表面结构单元，四个结构单元构成一个组，每一个组内存在两种不同颜色的超原子，多个组构成任意尺寸的超透镜。

2.根据权利要求1所述的一种可见光波段的高数值孔径的消色差超透镜，其特征在于：不同尺寸的结构单元，形成三种颜色的超原子，分别为蓝色超原子、绿色超原子和红色超原子。蓝色超原子在蓝光波段呈现蓝色，绿色超原子在绿光波段呈现绿色，红色超原子在红光波段呈现红色。

3.根据权利要求1所述的一种可见光波段的高数值孔径的消色差超透镜，其特征在于：一个组内有三个蓝色超原子和一个绿色超原子或红色超原子组成，每个组内的任意同方向单元的蓝色超原子分别替换为红色超原子或绿色超原子，该结构使每个超原子传输的光在焦点处相长干涉。

4.根据权利要求1所述的一种可见光波段的高数值孔径的消色差超透镜，其特征在于：每个组内存在的绿色或红色超原子按照同方向规律排布，两者间隔一个蓝色超原子单元。

5.根据权利要求1所述的一种可见光波段的高数值孔径的消色差超透镜，其特征在于：所述工作波长范围从532nm到600nm。

6.根据权利要求1所述的一种可见光波段的高数值孔径的消色差超透镜，其特征在于：上层圆柱形超原子材料为氢化非晶硅(a-si:h)或者二氧化钛(tio2)。

7.根据权利要求1所述的一种可见光波段的高数值孔径的消色差超透镜，其特征在于：所有结构单元中的结构超原子高度相同，高度为580至620nm。

8.根据权利要求1所述的一种可见光波段的高数值孔径的消色差超透镜，其特征在于：所有结构单元的衬底的晶格常数为220nm至460nm。

9.根据权利要求2所述的一种可见光波段的高数值孔径的消色差超透镜，其特征在于：结构单元中的各个超原子直径不同，蓝色超原子的直径为60nm至100nm，绿色超原子的直径为80nm至100nm，红色超原子的直径为100nm至250nm。

技术总结本发明设计了一种可见光波段的高数值孔径的消色差超透镜。该消色差超透镜由多个相同单元阵列组成，每个单元以方形的玻璃相位块为衬底，衬底上是有低损耗氢化非晶硅(a‑Si:H)组成的超原子阵列，上下两层结构组成一个单元，四个单元组成一个组，每个组内的任意同方向单元的蓝色超原子需分别替换为红色超原子或绿色超原子，最后每个组内只存在两种颜色的超原子，可以根据实际需求，来构成任意尺寸的超透镜。本发明通过采用在可见光波段内具有低色散的高透过率材料，制备了基于空间交错法的超透镜，可在三个波长内，实现高分辨率、高效率、偏振不敏感的消色差成像。本发明设计结构简单，简化了超透镜的制备工艺，提高了超透镜的数值孔径和聚焦效率，增加了消色差超透镜设计自由度并拓宽了其应用场景。技术研发人员：郭小伟,陈宏卓,闵青青,李若禺受保护的技术使用者：电子科技大学长三角研究院（湖州）技术研发日：技术公布日：2024/6/13