【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及微纳光子学，具体涉及一种利用一维光子晶体实现全空间大视场近红外超透镜的设计系统和方法。
技术介绍
1、超表面是一种特殊的二维超材料，它可以在亚波长尺度下对电磁波的相位、偏振和振幅等特性进行灵活有效地调控，因此能够创造出自然界不存在的独特电磁响应，故被广泛应用于各种领域。因此可以利用结构表面的突变相位来实现对反射或透射波的波前操控，调控电磁波的相位、振幅和极化状态，从而实现聚焦、光束偏转和生成特殊光束等目的。
2、超透镜是一种由亚波长尺寸的结构特定分布在平面上，从而实现聚焦、成像等功能的平面透镜。其主要工作原理是基于材料表面的微纳结构对电磁波的调控，通过控制表面的突变相位分布来实现对电磁波波束的控制，从而改变其波前。相较于传统的透镜而言，超表面透镜有重量轻、体积小、易于做到高度调制与集成等优点。
3、视场是评估光学系统性能的主要标志。拥有广阔的视场使得镜头能够在单一画面中捕捉更多的周围场景，而无需借助图像拼接或机械扫描，且超透镜的大视场特性将极大地便利图像捕捉、数据采集以及场景识别等关键任务因此，对于能够在广阔视野下实现高质量成像的超透镜技术备受关注。面对不断发展的现代光学系统需求，我们迫切需要能够在广阔视野下实现高质量成像的超透镜技术。
4、然而，超表面通常在纯反射模式下工作或纯透射模式下工作，留下一半的电磁空间未被利用。全空间超表面不仅可以同时在反射和透射空间工作，而且还可以独立地操纵反射和透射的电磁波，它为电磁波控制领域带来了革命性的变革，并广泛应用于无线通信、雷达、成像系统
技术实现思路
1、本专利技术要克服现有技术存在的上述缺点，提供一种利用一维光子晶体来实现全空间大视场近红外超透镜的方法，通过旋转双层纳米结构的转向角，能够实现双波长下独立操纵反射波和透射波，并且将光束聚焦在理论焦平面上。当光束斜入射时，在反射空间和透射空间，超透镜在双波长下仍能实现光束的清晰聚焦。
2、本专利技术提供了一种基于一维光子晶体的全空间大视场近红外超透镜的方法，包括如下步骤：
3、1)构建纳米单元结构：所述的纳米单元结构是一种三明治结构，包括位于一维光子晶体上层的纳米砖、沉淀在透明基底面的下层纳米砖以及位于两者之间的一维光子晶体，以结构单元直角边为x轴和y轴建立xoy坐标系，所述的双层纳米砖长边为长轴l1、l2，短边为短轴w1、w2，高度均为h；所述的一维光子晶体叠层结构的厚度分别为dl和dh，周期为p；所述的透明基底周期为p，厚度为h1；
4、2)优化纳米单元结构：根据光子晶体理论可知，通过改变一维光子晶体叠层结构中两种材料的厚度，可以调节一维光子晶体的中心频率和带隙宽度，因此经计算确定出叠层结构中si和sio2的厚度dl和dh分别为70nm和170nm，随后通过电磁仿真优化确定出能实现低频反射、高频透射的入射光波长λ1和λ2，最后再优化所述双层纳米单元的结构参数，包括：所述双层纳米砖的长轴l1、l2，短轴w1、w2，但透明基底的周期p、厚度h1和双层纳米砖的高度h以及一维光子晶体周期p保持不变；
5、3)构建纳米结构阵列：所述下层纳米结构阵列包含多个纳米结构单元，用于接收入射光束并在反射时聚焦成像；所述上层纳米结构阵列包含多个纳米结构单元，用于补偿透射时聚焦成像的相位。将圆偏振光以λ1入射至所述下层纳米结构阵列，理论上会在f1＝-45um处以反射形式实现聚焦效果；将圆偏振光以λ2入射至所述下层纳米结构阵列，光束依次经过下层纳米结构阵列、一维光子晶体、下层纳米结构阵列，理论上会在f2＝30um处以透射形式实现聚焦效果，即在变转角的双层纳米结构组成的阵列上，实现全空间的双波长下的同时聚焦。
6、4)将圆偏振光以λ1并以0-40°角度入射时，会在反射空间实现聚焦效果；将圆偏振光以λ2并以0-30°角度入射时，会在透射空间实现聚焦效果，即在变转角的双层纳米结构组成的阵列上，实现大角度斜入射时的双波长同时聚焦。
7、进一步地，1)步骤中所述的透明基底为sio2材料，所述的双层纳米结构阵列均为si材料，所述的一维光子晶体为si和sio2组成的叠层结构。
8、进一步地，2)步骤中所述的一维光子晶体的叠层结构厚度是通过光子晶体理论计算而得，所述的入射光波长λ1、λ2是通过电磁仿真软件扫描一维光子晶体得到，所述的纳米单元结构的参数是根据选定的入射光波长λ1、λ2，再通过电磁仿真软件优化得到。
9、进一步地，3)步骤中在设计超透镜结构时，需通过计算使入射光在经过超透镜单元结构阵列时产生不同的相位延迟，垂直入射的平面光束在超透镜表面各处产生不同的偏向角度，即可汇聚光束。超透镜表面各点出射光相位分布可根据下式将入射光束汇聚到焦点处，超透镜的相位曲线应满足：
10、
11、其中，λ为入射光波长，x和y为每个纳米砖的二维坐标，f为超透镜焦距。
12、进一步地，3)步骤中双层纳米结构阵列中的每个旋转纳米砖被光穿过后会有一个相位调制，具体表现为：当波长为λ1的光束入射到超透镜上时，它将穿过底层超表面后会被反射回来，再次被底层超表面调制；当波长为λ2的光束入射到超透镜上时，它将依次穿过底层超表面、一维光子晶体和顶层超表面。所以波长为λ1的光束的相位调制为波长为λ2的光束的相位调制表示为其中和分别为顶层和底层超表面的相位分布。反射时下层纳米砖通过pb相位旋转角度来实现反射波长处的波前相位；透射时上层纳米砖通过pb相位旋转角度来实现透射波长处的相位补偿。为了实现透射模式和反射模式的独立调控，将超透镜在透射模式下的相位分布记为在反射模式下的相位分布记为其相位分布应满足如下关系：
13、
14、进一步地，4)步骤中纳米结构阵列还可将圆偏振光以λ1并以0-40°斜入射时，超透镜在反射空间会出现清晰的聚焦点；将圆偏振光以λ2并以0-30°斜入射时，超透镜在透射空间会出现清晰的聚焦点。
15、与现有技术相比较，本专利技术的有益效果：
16、1)采用本专利技术的技术方案，变转角的双层纳米结构阵列组成的超透镜可在反射、透射空间中均可实现聚焦效果，超表面的反射波、透射波被独立操纵，因此它比传统的只局限于半空间(反射或透射空间)的超透镜具有更高的利用率；
17、2)本专利技术所生产的超透镜可工作于双波长，且两个工作波长近红外波段，相差较大，因此在聚焦成像时产生的串扰低，且设计方法巧妙，加工难度低，所用结构简单，因此本专利技术所设计的超透镜易于集成到可穿戴近眼显示器、自动驾驶车辆和卫星成像等成像或显示设备中，在确保成像质量的同时减小体积和重量，适应于未来小型化、微型化的发展；
18、3)本专利技术所生产的超透镜能够在较大的视场下工作，因此一定角度的入射光对成像结果不会有影响，在近红外波段观察或成像大范围目标时非常有用；
19、4)本本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于一维光子晶体的全空间大视场近红外超透镜的方法，其特征在于包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种利用一维光子晶体实现全空间大视场近红外超透镜的方法，其特征在于1)步骤中所述的透明基底为SiO2材料，所述的双层纳米结构阵列均为Si材料，所述的一维光子晶体为Si和SiO2组成的叠层结构。
3.根据权利要求1所述的一种利用一维光子晶体实现全空间大视场近红外超透镜的方法，其特征在于2)步骤中所述的一维光子晶体的叠层结构厚度是通过光子晶体理论计算而得，所述的入射光波长λ1、λ2是通过电磁仿真软件扫描一维光子晶体得到，所述的纳米单元结构的参数是根据选定的入射光波长λ1、λ2，再通过电磁仿真软件优化得到。
4.根据权利要求1所述的一种利用一维光子晶体实现全空间大视场近红外超透镜的方法，其特征在于3)步骤中的在设计超透镜结构时，通过计算使入射光在经过超透镜单元结构阵列时产生不同的相位延迟，垂直入射的平面光束在超透镜表面各处产生不同的偏向角度，即可汇聚光束；超透镜表面各点出射光相位分布可根据下式将入射光束汇聚到焦点处，超透镜的相位曲线应满足：p>
5.根据权利要求4所述的一种利用一维光子晶体实现全空间近红外超透镜的方法，其特征在于3)步骤中双层纳米结构阵列中的每个旋转纳米砖被光穿过后会有一个相位调制，具体表现为：当波长为λ1的光束入射到超透镜上时，将穿过底层超表面后会被反射回来，再次被底层超表面调制；当波长为λ2的光束入射到超透镜上时，将依次穿过底层超表面、一维光子晶体和顶层超表面；所以波长为λ1的光束的相位调制为波长为λ2的光束的相位调制表示为其中和分别为顶层和底层超表面的相位分布；反射时下层纳米砖通过PB相位旋转角度来实现反射波长处的波前相位；透射时上层纳米砖通过PB相位旋转角度来实现透射波长处的相位补偿；为了实现透射模式和反射模式的独立调控，将超透镜在透射模式下的相位分布记为在反射模式下的相位分布记为其相位分布应满足如下关系：
6.根据权利要求4所述的一种利用一维光子晶体实现全空间近红外超透镜的方法，其特征在于4)步骤中纳米结构阵列还可将圆偏振光以λ1并以0-40°斜入射时，超透镜在反射空间会出现清晰的聚焦点；将圆偏振光以λ2并以0-30°斜入射时，超透镜在透射空间会出现清晰的聚焦点。
...【技术特征摘要】
1.一种基于一维光子晶体的全空间大视场近红外超透镜的方法，其特征在于包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种利用一维光子晶体实现全空间大视场近红外超透镜的方法，其特征在于1)步骤中所述的透明基底为sio2材料，所述的双层纳米结构阵列均为si材料，所述的一维光子晶体为si和sio2组成的叠层结构。
3.根据权利要求1所述的一种利用一维光子晶体实现全空间大视场近红外超透镜的方法，其特征在于2)步骤中所述的一维光子晶体的叠层结构厚度是通过光子晶体理论计算而得，所述的入射光波长λ1、λ2是通过电磁仿真软件扫描一维光子晶体得到，所述的纳米单元结构的参数是根据选定的入射光波长λ1、λ2，再通过电磁仿真软件优化得到。
4.根据权利要求1所述的一种利用一维光子晶体实现全空间大视场近红外超透镜的方法，其特征在于3)步骤中的在设计超透镜结构时，通过计算使入射光在经过超透镜单元结构阵列时产生不同的相位延迟，垂直入射的平面光束在超透镜表面各处产生不同的偏向角度，即可汇聚光束；超透镜表面各点出射光相位分布可根据下式将入射光束汇聚到焦点处，超透镜的相位曲线应满足：...
【专利技术属性】
技术研发人员：邓娟，吴凯丽，祝鑫雨，鄢波，高凡，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：
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