一种动态变焦消色差超构透镜及其实现方法技术

本发明专利技术公开了一种动态变焦消色差超构透镜，包括从下至上依次分布的第一层透明介质衬底、第一层氧化铟锡透明电极、第一层光致取向层、液晶层，第二层光致取向层、第二层氧化铟锡透明电极和透明介质衬底，所述透明介质衬底上分布电介质纳米柱结构阵列。发明专利技术动态变焦消色差超构透镜及其实现方法通过对将双折射液晶与偏振敏感双通道消色差超构透镜集成，实现动态消色差变焦成像，进一步扩展了超构表面的功能和应用。本发明专利技术巧妙地使用粒子群优化算法对超构透镜相位进行优化，实现了更少的结构数据获得更好的相位匹配效果，节约算力。节约算力。节约算力。

【技术实现步骤摘要】
一种动态变焦消色差超构透镜及其实现方法


[0001]本专利技术涉及一种动态变焦消色差超构透镜及其实现方法，属于超构表面


技术介绍

[0002]超构表面是一种由亚波长尺寸大小和间隔的散射体在二维平面上周期或非周期排列构成的平面光学调控元件。通过对散射体的形状、大小、位置和方向进行调整，几乎可以实现光的相位、振幅、偏振和频率的任意调控。利用超构表面可以多自由度调控的独特能力，可将体积大、功能单一的传统光学元件重新设计成轻薄化、平面化且多功能集成的新型元件。另外，由于超构表面中平面二维结构的特点使其在加工上与半导体制造工艺相兼容，具有批量化大规模生产制造的潜力，因而具有广阔的应用前景。
[0003]目前，各种功能新颖的超构表面已经被广泛应用于全息显示、微纳印刷、超构透镜以及光量子通讯等领域，并且超表面器件研究正从静态向主动可调谐方向发展。在可见光和近红外范围内，主动可调谐性对于实现动态全息显示、自动变焦镜头、光通信、激光雷达(LiDAR)系统中的光束转向具有非常重要的意义。迄今为止，许多主动调谐方法已经被探索，比如使用相变材料，自由载流子效应，机械驱动，化学反应和对周围环境的操纵。特别是，可编程数字超表面已经成功地在微波范围内用有源元件进行了演示，然而，由于光学超表面的像素小和不合适的调制机制，将这一概念扩展到光学超表面仍然是一个挑战。并且目前在可见光波段工作的光学可调谐超构表面器件仍然存在色散的问题，无法在宽波段使用，这大大限制了动态可调谐超构表面在实际中的应用。

技术实现思路

[0004]本专利技术提供一种动态变焦消色差超构透镜及其实现方法。
[0005]本专利技术解决上述技术问题所采用的技术方案为：
[0006]一种动态变焦消色差超构透镜，包括从下至上依次分布的第一层透明介质衬底、第一层氧化铟锡透明电极、第一层光致取向层、液晶层，第二层光致取向层、第二层氧化铟锡透明电极和透明介质衬底，所述透明介质衬底上分布电介质纳米柱结构阵列。
[0007]优选为，所述电介质纳米柱结构阵列包含多个纳米柱结构。
[0008]优选为，所述纳米柱结构的材料包括TiO2、HfO2、ZrO2、GaN、Si2N3、Si、GaAs、ZnS或AlN。
[0009]优选为，所述纳米柱结构的高度范围为200nm
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1500nm，所述纳米柱结构在所述透明介质衬底表面的尺寸为20nm
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1000nm。
[0010]优选为，所述纳米柱结构在所述透明介质衬底表面任意设置，纳米柱结构可采用矩形纳米柱、圆形纳米柱、椭圆纳米柱或L形纳米柱等形状。
[0011]一种动态变焦消色差超构透镜的实现方法，所述方法包括超构透镜的设计制造和液晶的封装，设计超构透镜需要先构造球面聚焦波前相位，得到透镜相位分布，然后通过仿
真获取不同结构尺寸纳米柱在不同波长下的传播相位响应，通过在介质衬底上按周期排布相位响应与所需的透镜相位匹配的纳米柱结构组成超构透镜，纳米结构可由琼斯矩阵表示，琼斯矩阵包含两个独立的相位信息，两个独立相位信息通过两个不同偏振的入射光进行独立重构。
[0012]与现有技术相比，本专利技术动态变焦消色差超构透镜及其实现方法通过将双折射液晶与偏振敏感双通道消色差超构透镜集成，实现动态消色差变焦成像，进一步扩展了超构表面的功能和应用。本专利技术巧妙地使用粒子群优化算法对超构透镜相位进行优化，实现了更少的结构数据获得更好的相位匹配效果，节约算力。本专利技术采用电控调谐的方式，调谐过程简单，不需要复杂的控制系统，性能稳定，并且结构组成简单，平面结构使得加工简单，可大批量制造。本专利技术可在宽带范围内使用，通过选择不同的材料，设计不同的结构，可以在更宽的波段下使用。
附图说明
[0013]图1为本专利技术动态变焦消色差超构透镜的组成示意图。
[0014]图2为本专利技术实现动态变焦消色差超构透镜的功能示意图。
[0015]图3为本专利技术实现动态变焦消色差超构透镜制备工艺流程图。
[0016]图4为专利技术实现动态变焦消色差超构透镜不同截面形状的纳米柱结构。
[0017]图5为专利技术实现动态变焦消色差超构透镜在不同电压下的焦距光学表征结果图。
具体实施方式
[0018]以下结合附图实施例对本专利技术作进一步详细描述。
[0019]如图1至图5所示，动态变焦消色差超构透镜包括从下至上依次分布的第一层透明介质衬底1、第一层氧化铟锡透明电极2、第一层光致取向层3、液晶层4，第二层光致取向层5、第二层氧化铟锡透明电极6和透明介质衬底7，透明介质衬底7上分布电介质纳米柱结构阵列8。
[0020]入射x线偏振光9从第一层透明介质衬底1射入并从透明介质衬底7射出出射x线偏振光10和出射y偏振光11。
[0021]该动态变焦消色差超构透镜将双折射液晶与偏振敏感双通道消色差超构透镜集成，通过结构相位响应数据库的构建和粒子群优化算法对超构透镜相位波前的优化，实现了单个结构在不同偏振状态下的色散调控；通过对上下两层的氧化铟锡透明电极施加电压，从而使得扭曲型向列相液晶的取向发生变化，调制超构透镜入射光的偏振，进一步使得超构透镜在不同偏振下表现出不同的焦距，实现动态变焦。该器件的实现方法主要包括两大部分：超构透镜的设计制造和液晶的封装。相比较现有的超构表面器件而言，本专利技术具备超轻薄，可调谐，易加工等优点，可应用于变焦成像、全息显示等领域。
[0022]本专利技术动态变焦消色差超构透镜及其实现方法，通过将设计的偏振双通道消色差超构透镜与液晶集成在一起，利用电压控制液晶的取向，从而改变超构表面入射光的偏振来实现消色差超构透镜焦距的动态调控。
[0023]电介质纳米柱结构阵列8包含多个纳米柱结构。
[0024]纳米柱结构的材料为TiO2、HfO2、ZrO2、GaN、Si2N3、Si、GaAs、ZnS或AlN。
[0025]纳米柱结构的高度范围为200nm
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1500nm，纳米柱结构在透明介质衬底7表面的尺寸为20nm
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1000nm，纳米柱结构在透明介质衬底7表面任意设置，纳米柱结构可采用矩形纳米柱、圆形纳米柱、椭圆纳米柱或L形纳米柱等形状。
[0026]一种动态变焦消色差超构透镜的实现方法，主要包括两大部分：超构透镜的设计制造和液晶的封装。设计超构透镜需要先构造球面聚焦波前相位，得到透镜相位分布，然后通过仿真获取不同结构尺寸纳米柱结构在不同波长下的传播相位响应，通过在介质衬底上按周期排布相位响应与所需的透镜相位匹配的纳米柱结构组成超构透镜。纳米结构可由琼斯矩阵表示，琼斯矩阵包含两个独立的相位信息，两个独立相位信息通过两个不同偏振的入射光进行独立重构。
[0027]一种动态变焦消色差超构透镜的制作方法：选择透明介质衬底，在表面涂布聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，烘烤，使用电子束光刻技术曝光显影；制作出与纳米柱结构阵列互补的孔洞结构，然后使用原子层沉积技术沉积电介质材料填补孔洞得到电介质纳本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种动态变焦消色差超构透镜，其特征在于，包括从下至上依次分布的第一层透明介质衬底(1)、第一层氧化铟锡透明电极(2)、第一层光致取向层(3)、液晶层(4)，第二层光致取向层(5)、第二层氧化铟锡透明电极(6)和透明介质衬底(7)，所述透明介质衬底(7)上分布电介质纳米柱结构阵列(8)。2.根据权利要求1所述的动态变焦消色差超构透镜，其特征在于，所述电介质纳米柱结构阵列(8)包含多个纳米柱结构。3.根据权利要求2所述的动态变焦消色差超构透镜，其特征在于，所述纳米柱结构的材料为TiO2、HfO2、ZrO2、GaN、Si2N3、Si、GaAs、ZnS或AlN。4.根据权利要求3所述的动态变焦消色差超构透镜，其特征在于，所述纳米柱结构的高度范围为200nm
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1500nm，所述纳米柱结构在所述透明...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡跃强，欧香念，张毅，段辉高，贾红辉，
申请(专利权)人：湖南大学深圳研究院湖大粤港澳大湾区创新研究院广州增城，
类型：发明
国别省市：