具有高度梯度纳米结构的消色差超构透镜及其制备方法

本技术属于超构透镜与微纳加工领域。具体地，本技术涉及具有高度梯度纳米结构的消色差超构透镜及其制备方法。

背景技术：

1、透镜能够通过光程差的积累将光聚焦在特定的焦平面上，实现光学成像、测试等功能。然而，传统的透镜厚度与体积较大，难以在小型化、集成化的设备中产生应用。

2、基于广义斯涅耳定律实现的超构透镜，仅通过相位梯度便可实现光场的聚焦，具有超薄、性能可设计、易于其他设备集成的特点，有望彻底颠覆现有光学设备的设计思路与应用范畴，并推动虚拟/增强现实、可集成成像系统、飞行时间(tof)探测器、医用内窥镜等多种设备的更新迭代。然而，在超构透镜的设计中，宽波段范围内微纳结构相位调制特性与透镜的相位需求不匹配，导致超构透镜具有明显的色差现象，即不同波长下透镜具有不同的焦距。色差的存在，导致超构透镜难以实用在大量的场景中。因此，实现消色差功能是解决目前超表面应用困难的根本途径。因此，通过结构转角带来的几何相位(pb相位)与结构尺寸带来的传输相位能够实现消色差透镜。不难发现，消色差功能需要透镜中的纳米结构在宽波段范围内满足严苛的相位要求，而纳米结构通常只在平面方向具有可控的结构参数，相位调制能力有限，这导致了消色差超构透镜往往只具有不足100μm的直径，其依然难以实际应用在日常生活中。

3、因此，提高纳米结构的可控自由度，实现纳米结构的相位调制水平，并在此基础上设计出大面积的消色差超构透镜是现阶段必须解决的问题。

技术实现思路

1、超构透镜相比于传统透镜具有厚度超薄、性能可设计以及易于集成的优势，从而在医用内窥镜、tof深度传感器、手机镜头等小微型光学成像系统中具有非常广阔的应用前景。然而，受限于纳米结构只具有沿平面的可控自由度，使得其相位调制能力受限，导致超构透镜面临非常严重的色差。虽然可以基于平面结构实现消色差超构透镜，但是其在工作波段、工作效率等多个方面依然有难以解决的问题。而实现纳米结构高度梯度的调控，提高纳米结构的相位调制能力，并突破高度可调纳米结构的加工瓶颈，是实现高性能消色差超构透镜的有效途径。

2、本发明基于pb相位与传输相位排布以及灰度纳米加工方法，提出了一种具有高度梯度纳米结构的消色差超构透镜的设计与加工方法，具有纳米结构高度梯度可调，消色差聚焦性能可设计的特点。

3、本发明的目的在于提供一种具有高度梯度纳米结构的消色差超构透镜，其具有改善的纳米结构的可控自由度、改善的纳米结构的相位调制水平，以及消色差波段更宽。

4、本发明的上述目的是通过以下技术方案实现的。

5、在本发明中，术语“高度梯度纳米结构”是指在高度上形成梯度的纳米结构。

6、在本发明中，术语“周期”是指相邻纳米结构单元之间的间距。

7、一方面，本发明提供一种具有高度梯度纳米结构的消色差超构透镜，其中，所述消色差超构透镜包括衬底和置于所述衬底之上的高度梯度纳米结构；

8、所述高度梯度纳米结构由周期排列的纳米结构单元构成，并且所述纳米结构单元中的至少两个的长、宽、高和转角参数中的至少之一是不同的。

9、优选地，在本发明所述的具有高度梯度纳米结构的消色差超构透镜中，所述纳米结构单元的长为50-400nm。

10、优选地，在本发明所述的具有高度梯度纳米结构的消色差超构透镜中，所述纳米结构单元的宽为50-400nm。

11、优选地，在本发明所述的具有高度梯度纳米结构的消色差超构透镜中，所述纳米结构单元的高大于0且小于等于1μm。

12、优选地，在本发明所述的具有高度梯度纳米结构的消色差超构透镜中，所述纳米结构单元的转角为0-360°。

13、优选地，在本发明所述的具有高度梯度纳米结构的消色差超构透镜中，所述纳米结构单元的周期为300-1000nm。

14、优选地，在本发明所述的具有高度梯度纳米结构的消色差超构透镜中，所述纳米结构是从所述衬底向上延伸的长方体凸起。

15、另一方面，本发明提供一种制备本发明的具有高度梯度纳米结构的消色差超构透镜的方法，其包括以下步骤：

16、(1)在衬底上形成光刻胶层；

17、(2)利用灰度曝光技术依据曝光版图曝光所述光刻胶层，然后进行显影以形成具有不同深度的光刻胶纳米孔的残余光刻胶层；

18、(3)利用介质材料填充所述光刻胶纳米孔以形成介质材料层；所述介质材料层包括位于所述光刻胶纳米孔内的介质材料部分和位于所述残余光刻胶层和已填充有介质材料的光刻胶纳米孔之上的介质材料部分；

19、(4)从所述衬底上整体剥离所述残余光刻胶层和介质材料层；

20、(5)将剥离后的所述残余光刻胶层和介质材料层转移到透明衬底；

21、(6)去除所述残余光刻胶层和残余光刻胶层所应对位置处的介质材料部分，以在所述透明衬底表面形成高度梯度纳米结构；

22、其中，所述曝光版图是通过包括以下步骤的方法进行设计的：

23、(i)预设消色差超构透镜的基本参数，所述基本参数包括工作波段、焦距、半径以及高度梯度纳米结构的周期；

24、(ii)利用所述基本参数依据广义斯涅耳定律推算不同波长下的消色差超构透镜的相位分布，并按照预设的高度梯度纳米结构的周期对相位分布进行像素化近似；

25、(iii)基于几何相位原理设计最大波长处的高度梯度纳米结构的转角，其中转角数值为相位大小的1/2；

26、(iv)预设高度梯度纳米结构的长、宽和高的取值范围；在所述取值范围内变化高度梯度纳米结构的长、宽和高以形成大量的高度梯度纳米结构的构型参数库；利用数值仿真对构型参数库中的结构进行模拟，以获得传输相位，进而形成高度梯度纳米结构的结构尺寸与相位一一对应的光学性能库；所述结构尺寸包括高度梯度纳米结构的长、宽和高；

27、(v)利用所述传输相位对消色差超构透镜非最大波长处的相位进行补偿，根据消色差超构透镜上任意位置所需的相位大小，在所述光学性能库中选取满足要求的高度梯度纳米结构的结构尺寸，最终使所有波长下的相位与所需相位一致，输出实际所需的高度梯度纳米结构的位置、长、宽、高和转角参数，完成消色差超构透镜的设计；

28、(vi)将步骤(v)输出的实际所需的高度梯度纳米结构的位置、长、宽、高和转角参数转化为曝光版图。

29、在本发明中，术语“像素化近似”是指将连续分布的相位按照结构周期分为多个区域，并以区域中心位置的相位近似为该区域整体的相位，其中一个相位相同的区域可以看作是一个像素。

30、优选地，在本发明所述的方法中，所述透明衬底为熔融石英、蓝宝石片、由网格支撑的sinx薄膜材料窗口或者由网格支撑的sio2薄膜材料窗口。在某些实施方案中，透明衬底可以是能为消色差超构透镜支撑的任意材料。

31、优选地，在本发明所述的方法中，所述消色差超构透镜的工作波段为400nm-2500nm波段中的一段，优选为400nm-800nm。

32、优选地，在本发明所述的方法中，所述焦距为50μm-10mm。

33、优选地，在本发明所述的方法中，所述半径为小于焦距的值，更优选为20μm-5mm。

34、优选地，在本发明所述的方法中，所述传输相位为0-2π。

35、优选地，在本发明所述的方法中，高度梯度纳米结构的高度信息以曝光剂量因子的方式存储于曝光版图中。曝光版图为存储了超构透镜中结构单元位置、长、宽、转角、高度信息的矢量图。

36、优选地，在本发明所述的方法中，所述灰度曝光技术是通过改变曝光剂量实现不同残胶厚度的电子束曝光技术或紫外曝光技术。

37、优选地，在本发明所述的方法中，所述介质材料为tio2、al2o3或hfo2。

38、优选地，在本发明所述的方法中，所述步骤(3)中的位于所述残余光刻胶层和已填充有介质材料的光刻胶纳米孔之上的介质材料部分的厚度为8-200nm。

39、优选地，在本发明所述的方法中，所述步骤(4)中的剥离是通过湿法腐蚀去除衬底或利用pdms转移进行的。

40、优选地，在本发明所述的方法中，所述步骤(6)中的去除所述残余光刻胶层是通过基于有机溶液的浸泡溶解或基于氧等离子体的刻蚀进行的。

41、优选地，在本发明所述的方法中，所述步骤(6)中的去除残余光刻胶层所应对位置处的介质材料部分是通过反应离子刻蚀方法进行的。

42、在某些实施方案中，本发明的消色差超构透镜的直径可以为20μm-5mm。

43、本发明具有以下有益效果：

44、1)将纳米结构的高度作为可调参数引入到消色差超构透镜的设计中，大大提高了纳米结构单元的相位调制能力，有助于设计出面积更大、消色差波段更宽的超构透镜；

45、2)将灰度曝光技术引入消色差超构透镜的加工中，可以实现多种材料的高度可调的纳米结构，为高度梯度超构透镜的微纳加工提供了可行的方案；

46、3)相比与传统的超构透镜，本发明的超构透镜拥有厚度超薄、性能可设计、易集成的优势，可以应用在多种紧凑、小型化的成像系统中。相比于其他消色差透镜的设计与加工方法，本发明涉及的超构透镜至少具有以下优势：(i)传统超构透镜结构单元只具有一致的高度，而本发明的超构透镜具有可调的高度梯度，大大提高了透镜相位准确性与设计面积；(ii)传统依赖平面加工工艺的超构透镜加工只能实现等高的纳米结构，而灰度曝光方法的引入则实现了高度梯度结构的加工；(iii)相比于传统的超构透镜，由微纳结构形成的超构透镜，具有小体积、易集成的优势。