一种超表面平面透镜的设计方法技术

本发明专利技术公开一种超表面平面透镜的设计方法，属于纳米光学技术领域，具体为：先构建微元结构单元，以转换效率大于95％为目标，设计最优微元结构单元；基于最优微元结构单元仿真构建超表面平面结构，计算所有微纳结构的偏转角度；在超表面平面结构中截取多个不同圆心角的子扇形结构，基于最优微元结构单元的具体尺寸和偏转角度，仿真构建各子扇形结构对应的子透镜，并进行远场聚焦，选取焦点处电场强度的半高宽数值最大的子透镜作为扇形透镜；将多个扇形透镜沿顺时针或逆时针方向进行共圆心拼接，最终获得超表面平面透镜。本发明专利技术在保证聚焦效率和成像效果的基础上，兼顾实用型透镜的宏观尺度需求，降低仿真过程中的计算机资源消耗，更加实用化。更加实用化。更加实用化。

【技术实现步骤摘要】
一种超表面平面透镜的设计方法


[0001]本专利技术属于纳米光学
，具体涉及一种超表面平面透镜的设计方法。

技术介绍

[0002]基于人工微纳结构的电磁超材料由于可以表现出传统天然材料不具备的电磁/光学特性(如负折射)，以及任意调控电磁参数的奇异特性，受到电磁、物理及材料等领域学者的重视。通过人工精巧设计的超材料构建空间折射率渐变，可以实现波束的偏转。
[0003]凡事都具有正反两面性，超材料也不例外，存在对欧姆损失的高敏感性，工作于可见光波段的三维超材料结构加工困难等不足，在很大程度上限制了三维超材料的进一步发展和应用。因此，人们想到了其简化版的结构——超表面，即二维的超材料结构，大大降低了加工的难度，使其更容易走向实用化。超表面的优势在于突破传统三维超材料体结构的思想束缚，构造出各种利用现有技术更容易制备的结构，在调控相位、振幅、偏振及阻抗等方面显示出优越性，具有广阔的应用前景。
[0004]超表面诞生至今，一直朝着提高应用性的方向发展，因其新颖的物理机制、丰富的物理图像、灵活的结构设计等特色，研究者们先后提出了很多新颖的光学器件，包括平面透镜、偏振片、吸收器等。其中超表面平面透镜是本专利技术中主要研究的对象，目前为止，超表面平面透镜在设计过程中需要构建由多个微元结构单元组成的具有位相梯度的周期结构，每个微元结构单元上的微纳结构的分布方位角所代表的空间位相需要借助仿真软件逐一计算出来，从而形成一个数据库。超表面平面透镜上分布的所有微元结构单元的微纳结构的方位角都是由此数据库中选取相应合适的数据，并按照设定的位相梯度排布，在构建完整超表面透镜时，将会有天文数字般的微元结构单元排布设计数据需要处理，显然不利于该技术向实用化推广。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种超表面平面透镜的设计方法，在满足宏观尺度(直径为毫米级)需求的同时，极大降低仿真设计过程中所需的计算机资源和运行时间消耗。
[0006]本专利技术所采用的技术方案如下：
[0007]一种超表面平面透镜的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0008]步骤1、构建微元结构单元，包括长方体基底，以及位于长方体基底上方中心的长方体的微纳结构；以微元结构单元的转换效率大于95％为目标，设计最优的长方体基底尺寸和微纳结构尺寸，获得最优微元结构单元；
[0009]步骤2、通过在XOY二维平面中紧密排布多个最优微元结构单元，仿真构建半径为R的超表面平面结构，根据其中各最优微元结构单元中微纳结构的中心坐标，计算对应微纳结构的偏转角度；
[0010]步骤3、在所有微纳结构的偏转角度已知的超表面平面结构中，截取多个不同圆心
角的半径为R的子扇形结构，基于最优微元结构单元的具体尺寸和偏转角度，仿真构建各子扇形结构对应的子透镜，并对子透镜进行远场聚焦，选取焦点处电场强度的半高宽数值最大的子透镜作为扇形透镜，对应圆心角为其中，要求各子扇形结构的圆心角能被360
°
整除，且圆心角不超过12
°
；
[0011]步骤4、将个扇形透镜沿顺时针或逆时针方向进行共圆心拼接，最终获得超表面平面透镜。
[0012]进一步地，所述长方体基底的材料为SiO2，微纳结构的材料为TiO2。
[0013]进一步地，对R的大小不做限制，甚至可大于600μm，最终获得宏观尺度(直径为毫米级)的超表面平面透镜。
[0014]进一步地，步骤2中超表面平面结构的圆心为XOY二维平面的原点O，假设微纳结构的中心坐标为(x,y)，计算各微纳结构的底面长边在超表面平面结构中相对于为X轴向的偏转角度θ(x,y)：
[0015][0016]其中，λ为入射光的波长；f为入射光的焦距。
[0017]进一步地，入射光的焦距f＝nR/NA；其中，n为空间折射率；NA为预设的超表面平面透镜的数值孔径。
[0018]进一步地，最优微元结构单元中长方体基底的底面边长为λ/2～λ，厚度为λ～3λ/2。
[0019]本专利技术的有益效果为：
[0020]本专利技术提出一种超表面平面透镜的设计方法，先设计半高宽数值最大(即透镜聚焦效率最优)的扇形透镜，再将扇形透镜逐个拼接构成宏观尺度(直径为毫米级)的超表面平面透镜；本专利技术提出的设计方法在保证超表面平面透镜的聚焦效率和成像效果的基础上，兼顾了实用型透镜大面积分布及宏观尺度的需求，更重要的是大大降低了仿真设计过程中的计算机内存及运行时间的消耗，更加实用化。
附图说明
[0021]图1为本专利技术实施例1中微元结构单元的三维结构图；
[0022]图2为本专利技术实施例1中最优微元结构单元的转换效率图；
[0023]图3为本专利技术实施例1中超表面平面结构中心部分的离散化相位分布图；
[0024]图4为本专利技术实施例1中扇形透镜的尺寸示意图；
[0025]图5为本专利技术实施例1中圆心角为6
°
的子透镜的焦点位于X轴向的电场强度分布结果；
[0026]图6为本专利技术实施例1中圆心角为6
°
的子透镜的焦点位于Y轴向的电场强度分布结果；
[0027]图7为本专利技术实施例1中圆心角为6
°
的子透镜的焦点位于Z轴向的电场强度分布结果；
[0028]图8为本专利技术实施例1中超表面平面透镜的俯视图；
[0029]图9为本专利技术实施例1中超表面平面透镜的边缘部分放大图；
[0030]图10为本专利技术实施例1中用于仿真成像的原图；
[0031]图11为本专利技术实施例1中利用超表面平面透镜进行仿真成像的效果图。
具体实施方式
[0032]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图与实施例对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。
[0033]实施例1
[0034]本实施例提供了一种工作于532nm波长的超表面平面透镜的设计方法，具体包括以下步骤：
[0035]步骤1、构建如图1所示的微元结构单元，包括材料为SiO2的长方体基底，以及位于长方体基底上方中心的长方体的微纳结构，微纳结构的材料为TiO2；以微元结构单元的转换效率大于95％为目标，设计最优的长方体基底尺寸和微纳结构尺寸，获得最优微元结构单元；
[0036]本实施例中，将长方体基底设计为亚波长结构，要求长方体基底的底面边长S为λ/2～λ，厚度W为λ～3λ/2，最优的长方体基底尺寸为S＝300nm，W＝800nm；在此基础上设计出符合转换效率大于95％的微纳结构尺寸，根据多次仿真实验，当微纳结构的长、宽和高分别是160nm、60nm、500nm时，转换效率为97.9％；当微纳结构的长、宽和高分别是145nm、70nm、500nm时，转换效率为98.3％；当微纳结构的长、宽和高分别是180nm、75nm、500nm时，转换效率为98.1％；通过调整长本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超表面平面透镜的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、构建微元结构单元，包括长方体基底，以及位于长方体基底上方中心的长方体的微纳结构；以微元结构单元的转换效率大于95％为目标，设计最优的长方体基底尺寸和微纳结构尺寸，获得最优微元结构单元；步骤2、通过在XOY二维平面中紧密排布多个最优微元结构单元，仿真构建半径为R的超表面平面结构，根据各最优微元结构单元中微纳结构的中心坐标，计算对应微纳结构的偏转角度；步骤3、在所有微纳结构的偏转角度已知的超表面平面结构中，截取多个不同圆心角的半径为R的子扇形结构，基于最优微元结构单元的具体尺寸和偏转角度，仿真构建各子扇形结构对应的子透镜，并对子透镜进行远场聚焦，选取焦点处电场强度的半高宽数值最大的子透镜作为扇形透镜，对应圆心角为其中，要求各子扇形结构的圆心...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴斌，付永启，吴心成，苏港，肖敏，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：