一种基于超材料的中红外波段超薄平板透镜的制作方法
一种基于超材料的中红外波段超薄平板透镜的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于微纳加工技术领域，涉及一种基于超材料的中红外波段超薄平板透 镜。
【背景技术】
[0002] 随着航天领域的迅速发展，航天光学技术问题对成像系统集成化、小型化以及高 分辨率提出了更高的要求。然而，传统透镜是通过塑造透镜的形状从而改变光程差来实现 成像的，随着透镜半径的增大，对加工的要求越来越苛刻，同时透镜质量不可避免的迅速变 大，不再能够满足集成化，小型化的要求。另一方面，传统成像受到衍射极限的限制，无法实 现提高分辨率的想法。当天然材料的光学性质无法满足需求的时候，向人工材料的研宄自 然会成为备受关注的焦点。近几十年来，等离激元学以及超构材料领域的迅速发展，为寻 找光学高品质的人工材料提供了许多新方法，比如负折射材料以及各向异性人工材料等。 人工超构材料是由大量金属微纳结构组成的人工复合材料，基于人工超构材料的研宄成果 多集中于微波波段，应用于通讯领域，而在红外可见光波段针对平面波聚焦成像的研宄较 少。国际上具备平面波聚焦成像功能的平板透镜，其对应的成像波段是通讯波段（1550nm)， 透镜的直径约为1mm，焦距7mm。目前，国内外尚无中红外波段（中心波长10. 6 ym，带宽 lum)的大尺寸（cm级）平板透镜。本发明填补了中红外波段聚焦成像平板透镜的领域空 白，而且首次加工直径在厘米级，厚度在毫米量级的超薄平板透镜，为后续更大尺寸的商业 级超薄平板透镜提供借鉴。
【发明内容】
[0003] 本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于超材料的中红外 波段超薄平板透镜，解决在航天成像领域传统透镜厚度大，重量大，聚焦受到透镜形状的 影响的问题。
[0004] 本发明的技术方案是：一种基于超材料的中红外波段超薄平板透镜，包括圆形氟 化钡平板基底；圆形氟化钡平板基底上刻有V字形金属棒结构，V字形金属棒结构上镀有金 膜；所述V字形金属棒结构设计如下：
[0005] 根据完美聚焦相位分布公式：
其中A是自由空间的波长，f 是平板透镜的焦距，r是V字形金属棒结构距离平板透镜中心的距离，分别把不同相位供的 V字形金属棒结构排列于不同半径r处，不同V字形金属棒结构沿径向排布，形成同心环； 其中，每个同心圆环上排布的V字形金属棒结构相同，且个数n = 2Jir/a，其中a为每个V 字形金属棒结构所占据的正方形空间的边长。
[0006] 所述圆形氟化钡平板基底厚度为1mm，半径为10mm。
[0007] 所述相位供为每隔31 /8增加相位值，共16组V字形金属棒结构；其中每组V字形 金属棒结构包括两个金属棒单元，且两个金属棒单元形状尺寸相同；16组V字形金属棒结 构中的8组V字形金属棒结构单元的长度h分别为1. 78、1. 5、1. 33、1. 18、1. 13、0. 98、1和 0. 68ym，对应每组V字形金属棒结构中两个金属棒单元的夹角A分别为45°、45°、60°、 60°、90°、90°、180°和180° ;其中，以平板透镜基底为平面建立平面直角坐标系，每组 两个金属棒单元形成的夹角A的开口方向与平板透镜基底XY平面上的X轴正向夹角为 45° ;16组V字形金属棒结构中的另外8组V字形金属棒结构单元的长度h分别为1. 78、 1. 5、1. 33、1. 18、1. 13、0. 98、1和0. 68 y m，对应每组V字形金属棒结构中两个金属棒单元的 夹角A分别为45°、45°、60°、60°、90°、90°、180°和180°，其中，每组两个金属棒单 元形成的夹角A的开口方向与平板透镜基底XY平面上的X轴正向夹角为-45°。
[0008] 所述平板透镜的焦距f = 3mm，每个V字形金属棒结构所占据的正方形空间的边长 a = 5 y m ;每个金属棒单元线宽约为1 y m。
[0009] 本发明与现有技术相比的有益效果是：
[0010] (1)本发明与传统凸透镜相比，其面型为超薄平板，大大降低了透镜的质量和大 小，实现了成像系统的集成化和小型化。
[0011] (2)本发明首次提出了 16组不同形状的金属棒设计，首次解决了平板透镜在小半 径区域成像效果不佳的问题。
[0012] (3)本发明利用人工超构材料实现透镜制备，其特殊的光学性质将会为未来实现 超分辨率成像提供可能的办法。
【附图说明】
[0013] 图1为本发明平板透镜基板上V字形金属棒结构布局设计版图。
[0014]
【具体实施方式】
[0015] 利用V字形金属棒结构电共振效应，可以将共振区域附近的金属微纳结构看做纳 米天线。考虑到入射光波长远大于纳米天线长度，因此金属纳米天线可以等效于电偶极子， V字形金属棒结构天然具有两种共振激发方式，即对称模式（Symmetric mode)和反对称模 式（Antisymmetric mode)。由于入射光在两个方向的激发效果不同，使得两个方向的振动 相互转化，实现从入射偏振（A)波到出射偏振（B)波的特殊相位变化。其中，A波B波振动 相互垂直。具体计算时利用Maxwell方程和具体的边界条件计算相应的电磁波的吸收与辐 射效果。
[0016] 本发明以圆形氟化钡作为平板基底（厚度约为1_，半径约为10mm)，针对中红外 波段（9. 6~11. 6um)设计透镜焦距f = 3_。利用光刻方法将设计的V字形金属棒结构 (线宽约为1 U m)图案转移到BaF2基片上，形成V字形金属棒结构凹槽结构，采用电子束蒸 发方法在基片镀上金（Au)膜，覆盖在V字形金属棒结构凹槽结构上，随后进行基片清洗去 除表面多余的Au膜，即获得了超薄平板透镜。
[0017] 对称模式（Symmetric mode)和反对称模式（antisymmetric mode)这两种模 式的共振激发效果主要取决于V字形金属棒结构的金属棒单元长度和金属棒单元间夹 角。另一方面，由于V字形金属棒结构存在间隙，因此仍然存在正常折射的光。通过改变 V字形金属棒结构型结构在基底上的密度，以及V字形金属棒结构的金属棒单元长度h、 金属棒单元间夹角△、线宽等控制光的相位变化以及反常折射光的光强。针对上述变量 的合理选择问题，通过FDTD数值模拟方法，对不同的V字形金属棒结构进行计算获取振 幅变化以及相位变化与V字形金属棒结构参数的关系数据，将图1中透过率较高的点取 出来，然后根据 这些数据具体细化参数选择，最终选出8组最佳数据作为一组V字形金属 棒结构来制作平板透镜。本实施例中优选出8组典型的V字形金属棒结构，其金属棒单元 长度h分别为1. 78、1.5、1.33、1. 18、1. 13、0. 98、1和0. 68ym，以及对应金属棒单元间的 夹角A分别为45°、45°、60°、60°、90°、90°、180°和180°，引起的相位变化分别 为-JI/2、-3 31/8、-JI/4、-Jr/8、0、31/8、jt/4 和 3 31/8,其中 V 字形金属棒结构的开口方 向与平板透镜XY平面X轴正向夹角为45°。通过逆时针旋转90°获得另外8组V字形金 属棒结构，其中V字形金属棒结构的开口方向与平板透镜XY平面X轴正向夹角为-45°，共 16组不同形状的V字形金属棒结构包含0~2 JT相位变化。
[0018] 与传统凸透镜类似，根据互易原理，对于一个聚焦透镜，需满足相位分布方程
其中A是自由空间的波长，r是V字形金属棒结构距离平板透镜中心 原点的距离，f?是透镜的焦距，P是相位。具体的V字形金属棒结构排布方法如下：首先，以 平板透镜中心为原点，间隔/8增加相位值，根据相位分布公式计算出对应相位值的V字 形金属棒结构距离中心原点的值，即对应的半径值r。半径值相同的V字形金属棒结构是相 同的，形成圆环，不同半径处V字形金属棒结构的不同，因此形成多个同心圆环，且每个圆 环上V字形金属棒结构的个数n = 2 Jr r/a，其中a是V字形金属棒结构所占据的正方形空 间的边长，在我们的设计中a = 5 ym。其中，同一圆环上的V字形金属棒结构的开口方向 与平板透镜XY平面X轴正向夹角值一致。根据上述方法，生成了基于16组V字形金属棒 结构的平板透镜设计版图，如图1所示。由于圆环的疏密正比于相位方程的梯度，因此在透 镜中心附近结构比较稀疏，随着半径增大，结构越来越紧密。以上是通用的方法，具体到我 们的平板透镜设计中，其中平板透镜上同心圆环最内圈的半径由
^夬 定，根据透镜焦距f = 20mm，X =l〇.6ym，其中n为整数，r值约为1.8mm〇 [0019] 对本发明平板透镜加工过程包括①利用匀胶机在氟化钡（BaF2)基底上旋涂光刻 胶，转速为4000rpm，时间为30s ;②基底在涂胶后，置于干燥箱内烘干，温度为100°C，时间 为15min ;③利用设计好的掩模板进行光刻，曝光时间9s ;④将基片置于显影液中，时间为 17s，显影液为江化ZX238或自制显影液；⑤离子水冲洗基片lmin时间；⑥将基片置于，置 于干燥箱内烘干，温度为l〇〇°C，时间为15min，取出冷却；⑦镀膜前用4〇 SCCm流速的Ar气， 清洗残留光刻胶9min ;⑧用电子束蒸发方法，在基片上镀Au膜，镀膜速率为0. 5A/s，真空度 〈7xl(T4Pa ;⑨镀膜后基片放入丙酮中静置13min，然后置于超声波机内进行超声3min，随后 将基片置于酒精溶液内进行超声3min，取出将样品吹干。
[0020] 本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
【主权项】
1. 一种基于超材料的中红外波段超薄平板透镜，其特征在于：包括圆形氟化钡平板基 底；圆形氟化钡平板基底上刻有V字形金属棒结构，V字形金属棒结构上镀有金膜；所述V 字形金属棒结构设计如下： 根据完美聚焦相位分布公式其中λ是自由空间的波长，f是平 板透镜的焦距，r是V字形金属棒结构距离平板透镜中心的距离，分别把不同相位P的V字 形金属棒结构排列于不同半径r处，不同V字形金属棒结构沿径向排布，形成同心环；其中， 每个同心圆环上排布的V字形金属棒结构相同，且个数η = 2 π r/a，其中a为每个V字形金 属棒结构所占据的正方形空间的边长。2. 根据权利要求1所述的一种基于超材料的中红外波段超薄平板透镜，其特征在于： 所述圆形氟化钡平板基底厚度为1mm，半径为l〇mm。3. 根据权利要求1所述的一种基于超材料的中红外波段超薄平板透镜，其特征在于： 所述相位P为每隔π/8增加相位值，共16组V字形金属棒结构；其中每组V字形金属棒结 构包括两个金属棒单元，且两个金属棒单元形状尺寸相同；16组V字形金属棒结构中的8 组V字形金属棒结构单元的长度h分别为I. 78、1. 5、1. 33、1. 18、1. 13、0. 98、1和0. 68ym， 对应每组V字形金属棒结构中两个金属棒单元的夹角Δ分别为45°、45°、60°、60°、 90°、90°、180°和180° ;其中，以平板透镜基底为平面建立平面直角坐标系，每组两个金 属棒单元形成的夹角Δ的开口方向与平板透镜基底XY平面上的X轴正向夹角为45° ;16 组V字形金属棒结构中的另外8组V字形金属棒结构单元的长度h分别为1. 78、1. 5、1. 33、 1. 18、I. 13、0. 98、1和0.68 μ m，对应每组V字形金属棒结构中两个金属棒单元的夹角Δ分 别为45°、45°、60°、60°、90°、90°、180°和180°，其中，每组两个金属棒单元形成的 夹角Λ的开口方向与平板透镜基底XY平面上的X轴正向夹角为-45°。4. 根据权利要求3所述的一种基于超材料的中红外波段超薄平板透镜，其特征在于： 所述平板透镜的焦距f = 3mm，每个V字形金属棒结构所占据的正方形空间的边长a = 5 μ m ;每个金属棒单元线宽约为1 μ m。
【专利摘要】一种基于超材料的中红外波段超薄平板透镜，包括圆形氟化钡平板基底；圆形氟化钡平板基底上刻有V字形金属棒结构，V字形金属棒结构上镀有金膜；所述V字形金属棒结构上分别把不同相位的V字形金属棒结构排列于不同半径r处，不同V字形金属棒结构沿径向排布，形成同心环；其中，每个同心圆环上排布的V字形金属棒结构相同。本发明首次提出利用16组V字形金属棒结构连续调控相位的方法，利用光刻与镀膜结合的方法加工中红外波段的平板透镜，与传统凸透镜相比，通过V字形金属棒结构相位调控替代传统曲面的傅里叶变换功能，该透镜具有超薄和平板的特征，从而大大降低了重量与体积。
【IPC分类】G02B27/00, G02B3/08
【公开号】CN104898191
【申请号】CN201510260194
【发明人】孙倩, 阮宁娟, 王漱明, 刘辉, 韩潇, 吴立民, 张秉隆, 曾培, 王羽中, 祝世宁
【申请人】北京空间机电研究所
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年5月20日
【技术领域】
[0001] 本发明属于微纳加工技术领域，涉及一种基于超材料的中红外波段超薄平板透 镜。
【背景技术】
[0002] 随着航天领域的迅速发展，航天光学技术问题对成像系统集成化、小型化以及高 分辨率提出了更高的要求。然而，传统透镜是通过塑造透镜的形状从而改变光程差来实现 成像的，随着透镜半径的增大，对加工的要求越来越苛刻，同时透镜质量不可避免的迅速变 大，不再能够满足集成化，小型化的要求。另一方面，传统成像受到衍射极限的限制，无法实 现提高分辨率的想法。当天然材料的光学性质无法满足需求的时候，向人工材料的研宄自 然会成为备受关注的焦点。近几十年来，等离激元学以及超构材料领域的迅速发展，为寻 找光学高品质的人工材料提供了许多新方法，比如负折射材料以及各向异性人工材料等。 人工超构材料是由大量金属微纳结构组成的人工复合材料，基于人工超构材料的研宄成果 多集中于微波波段，应用于通讯领域，而在红外可见光波段针对平面波聚焦成像的研宄较 少。国际上具备平面波聚焦成像功能的平板透镜，其对应的成像波段是通讯波段（1550nm)， 透镜的直径约为1mm，焦距7mm。目前，国内外尚无中红外波段（中心波长10. 6 ym，带宽 lum)的大尺寸（cm级）平板透镜。本发明填补了中红外波段聚焦成像平板透镜的领域空 白，而且首次加工直径在厘米级，厚度在毫米量级的超薄平板透镜，为后续更大尺寸的商业 级超薄平板透镜提供借鉴。
【发明内容】
[0003] 本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于超材料的中红外 波段超薄平板透镜，解决在航天成像领域传统透镜厚度大，重量大，聚焦受到透镜形状的 影响的问题。
[0004] 本发明的技术方案是：一种基于超材料的中红外波段超薄平板透镜，包括圆形氟 化钡平板基底；圆形氟化钡平板基底上刻有V字形金属棒结构，V字形金属棒结构上镀有金 膜；所述V字形金属棒结构设计如下：
[0005] 根据完美聚焦相位分布公式：
其中A是自由空间的波长，f 是平板透镜的焦距，r是V字形金属棒结构距离平板透镜中心的距离，分别把不同相位供的 V字形金属棒结构排列于不同半径r处，不同V字形金属棒结构沿径向排布，形成同心环； 其中，每个同心圆环上排布的V字形金属棒结构相同，且个数n = 2Jir/a，其中a为每个V 字形金属棒结构所占据的正方形空间的边长。
[0006] 所述圆形氟化钡平板基底厚度为1mm，半径为10mm。
[0007] 所述相位供为每隔31 /8增加相位值，共16组V字形金属棒结构；其中每组V字形 金属棒结构包括两个金属棒单元，且两个金属棒单元形状尺寸相同；16组V字形金属棒结 构中的8组V字形金属棒结构单元的长度h分别为1. 78、1. 5、1. 33、1. 18、1. 13、0. 98、1和 0. 68ym，对应每组V字形金属棒结构中两个金属棒单元的夹角A分别为45°、45°、60°、 60°、90°、90°、180°和180° ;其中，以平板透镜基底为平面建立平面直角坐标系，每组 两个金属棒单元形成的夹角A的开口方向与平板透镜基底XY平面上的X轴正向夹角为 45° ;16组V字形金属棒结构中的另外8组V字形金属棒结构单元的长度h分别为1. 78、 1. 5、1. 33、1. 18、1. 13、0. 98、1和0. 68 y m，对应每组V字形金属棒结构中两个金属棒单元的 夹角A分别为45°、45°、60°、60°、90°、90°、180°和180°，其中，每组两个金属棒单 元形成的夹角A的开口方向与平板透镜基底XY平面上的X轴正向夹角为-45°。
[0008] 所述平板透镜的焦距f = 3mm，每个V字形金属棒结构所占据的正方形空间的边长 a = 5 y m ;每个金属棒单元线宽约为1 y m。
[0009] 本发明与现有技术相比的有益效果是：
[0010] (1)本发明与传统凸透镜相比，其面型为超薄平板，大大降低了透镜的质量和大 小，实现了成像系统的集成化和小型化。
[0011] (2)本发明首次提出了 16组不同形状的金属棒设计，首次解决了平板透镜在小半 径区域成像效果不佳的问题。
[0012] (3)本发明利用人工超构材料实现透镜制备，其特殊的光学性质将会为未来实现 超分辨率成像提供可能的办法。
【附图说明】
[0013] 图1为本发明平板透镜基板上V字形金属棒结构布局设计版图。
[0014]
【具体实施方式】
[0015] 利用V字形金属棒结构电共振效应，可以将共振区域附近的金属微纳结构看做纳 米天线。考虑到入射光波长远大于纳米天线长度，因此金属纳米天线可以等效于电偶极子， V字形金属棒结构天然具有两种共振激发方式，即对称模式（Symmetric mode)和反对称模 式（Antisymmetric mode)。由于入射光在两个方向的激发效果不同，使得两个方向的振动 相互转化，实现从入射偏振（A)波到出射偏振（B)波的特殊相位变化。其中，A波B波振动 相互垂直。具体计算时利用Maxwell方程和具体的边界条件计算相应的电磁波的吸收与辐 射效果。
[0016] 本发明以圆形氟化钡作为平板基底（厚度约为1_，半径约为10mm)，针对中红外 波段（9. 6~11. 6um)设计透镜焦距f = 3_。利用光刻方法将设计的V字形金属棒结构 (线宽约为1 U m)图案转移到BaF2基片上，形成V字形金属棒结构凹槽结构，采用电子束蒸 发方法在基片镀上金（Au)膜，覆盖在V字形金属棒结构凹槽结构上，随后进行基片清洗去 除表面多余的Au膜，即获得了超薄平板透镜。
[0017] 对称模式（Symmetric mode)和反对称模式（antisymmetric mode)这两种模 式的共振激发效果主要取决于V字形金属棒结构的金属棒单元长度和金属棒单元间夹 角。另一方面，由于V字形金属棒结构存在间隙，因此仍然存在正常折射的光。通过改变 V字形金属棒结构型结构在基底上的密度，以及V字形金属棒结构的金属棒单元长度h、 金属棒单元间夹角△、线宽等控制光的相位变化以及反常折射光的光强。针对上述变量 的合理选择问题，通过FDTD数值模拟方法，对不同的V字形金属棒结构进行计算获取振 幅变化以及相位变化与V字形金属棒结构参数的关系数据，将图1中透过率较高的点取 出来，然后根据 这些数据具体细化参数选择，最终选出8组最佳数据作为一组V字形金属 棒结构来制作平板透镜。本实施例中优选出8组典型的V字形金属棒结构，其金属棒单元 长度h分别为1. 78、1.5、1.33、1. 18、1. 13、0. 98、1和0. 68ym，以及对应金属棒单元间的 夹角A分别为45°、45°、60°、60°、90°、90°、180°和180°，引起的相位变化分别 为-JI/2、-3 31/8、-JI/4、-Jr/8、0、31/8、jt/4 和 3 31/8,其中 V 字形金属棒结构的开口方 向与平板透镜XY平面X轴正向夹角为45°。通过逆时针旋转90°获得另外8组V字形金 属棒结构，其中V字形金属棒结构的开口方向与平板透镜XY平面X轴正向夹角为-45°，共 16组不同形状的V字形金属棒结构包含0~2 JT相位变化。
[0018] 与传统凸透镜类似，根据互易原理，对于一个聚焦透镜，需满足相位分布方程
其中A是自由空间的波长，r是V字形金属棒结构距离平板透镜中心 原点的距离，f?是透镜的焦距，P是相位。具体的V字形金属棒结构排布方法如下：首先，以 平板透镜中心为原点，间隔/8增加相位值，根据相位分布公式计算出对应相位值的V字 形金属棒结构距离中心原点的值，即对应的半径值r。半径值相同的V字形金属棒结构是相 同的，形成圆环，不同半径处V字形金属棒结构的不同，因此形成多个同心圆环，且每个圆 环上V字形金属棒结构的个数n = 2 Jr r/a，其中a是V字形金属棒结构所占据的正方形空 间的边长，在我们的设计中a = 5 ym。其中，同一圆环上的V字形金属棒结构的开口方向 与平板透镜XY平面X轴正向夹角值一致。根据上述方法，生成了基于16组V字形金属棒 结构的平板透镜设计版图，如图1所示。由于圆环的疏密正比于相位方程的梯度，因此在透 镜中心附近结构比较稀疏，随着半径增大，结构越来越紧密。以上是通用的方法，具体到我 们的平板透镜设计中，其中平板透镜上同心圆环最内圈的半径由
^夬 定，根据透镜焦距f = 20mm，X =l〇.6ym，其中n为整数，r值约为1.8mm〇 [0019] 对本发明平板透镜加工过程包括①利用匀胶机在氟化钡（BaF2)基底上旋涂光刻 胶，转速为4000rpm，时间为30s ;②基底在涂胶后，置于干燥箱内烘干，温度为100°C，时间 为15min ;③利用设计好的掩模板进行光刻，曝光时间9s ;④将基片置于显影液中，时间为 17s，显影液为江化ZX238或自制显影液；⑤离子水冲洗基片lmin时间；⑥将基片置于，置 于干燥箱内烘干，温度为l〇〇°C，时间为15min，取出冷却；⑦镀膜前用4〇 SCCm流速的Ar气， 清洗残留光刻胶9min ;⑧用电子束蒸发方法，在基片上镀Au膜，镀膜速率为0. 5A/s，真空度 〈7xl(T4Pa ;⑨镀膜后基片放入丙酮中静置13min，然后置于超声波机内进行超声3min，随后 将基片置于酒精溶液内进行超声3min，取出将样品吹干。
[0020] 本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
【主权项】
1. 一种基于超材料的中红外波段超薄平板透镜，其特征在于：包括圆形氟化钡平板基 底；圆形氟化钡平板基底上刻有V字形金属棒结构，V字形金属棒结构上镀有金膜；所述V 字形金属棒结构设计如下： 根据完美聚焦相位分布公式其中λ是自由空间的波长，f是平 板透镜的焦距，r是V字形金属棒结构距离平板透镜中心的距离，分别把不同相位P的V字 形金属棒结构排列于不同半径r处，不同V字形金属棒结构沿径向排布，形成同心环；其中， 每个同心圆环上排布的V字形金属棒结构相同，且个数η = 2 π r/a，其中a为每个V字形金 属棒结构所占据的正方形空间的边长。2. 根据权利要求1所述的一种基于超材料的中红外波段超薄平板透镜，其特征在于： 所述圆形氟化钡平板基底厚度为1mm，半径为l〇mm。3. 根据权利要求1所述的一种基于超材料的中红外波段超薄平板透镜，其特征在于： 所述相位P为每隔π/8增加相位值，共16组V字形金属棒结构；其中每组V字形金属棒结 构包括两个金属棒单元，且两个金属棒单元形状尺寸相同；16组V字形金属棒结构中的8 组V字形金属棒结构单元的长度h分别为I. 78、1. 5、1. 33、1. 18、1. 13、0. 98、1和0. 68ym， 对应每组V字形金属棒结构中两个金属棒单元的夹角Δ分别为45°、45°、60°、60°、 90°、90°、180°和180° ;其中，以平板透镜基底为平面建立平面直角坐标系，每组两个金 属棒单元形成的夹角Δ的开口方向与平板透镜基底XY平面上的X轴正向夹角为45° ;16 组V字形金属棒结构中的另外8组V字形金属棒结构单元的长度h分别为1. 78、1. 5、1. 33、 1. 18、I. 13、0. 98、1和0.68 μ m，对应每组V字形金属棒结构中两个金属棒单元的夹角Δ分 别为45°、45°、60°、60°、90°、90°、180°和180°，其中，每组两个金属棒单元形成的 夹角Λ的开口方向与平板透镜基底XY平面上的X轴正向夹角为-45°。4. 根据权利要求3所述的一种基于超材料的中红外波段超薄平板透镜，其特征在于： 所述平板透镜的焦距f = 3mm，每个V字形金属棒结构所占据的正方形空间的边长a = 5 μ m ;每个金属棒单元线宽约为1 μ m。
【专利摘要】一种基于超材料的中红外波段超薄平板透镜，包括圆形氟化钡平板基底；圆形氟化钡平板基底上刻有V字形金属棒结构，V字形金属棒结构上镀有金膜；所述V字形金属棒结构上分别把不同相位的V字形金属棒结构排列于不同半径r处，不同V字形金属棒结构沿径向排布，形成同心环；其中，每个同心圆环上排布的V字形金属棒结构相同。本发明首次提出利用16组V字形金属棒结构连续调控相位的方法，利用光刻与镀膜结合的方法加工中红外波段的平板透镜，与传统凸透镜相比，通过V字形金属棒结构相位调控替代传统曲面的傅里叶变换功能，该透镜具有超薄和平板的特征，从而大大降低了重量与体积。
【IPC分类】G02B27/00, G02B3/08
【公开号】CN104898191
【申请号】CN201510260194
【发明人】孙倩, 阮宁娟, 王漱明, 刘辉, 韩潇, 吴立民, 张秉隆, 曾培, 王羽中, 祝世宁
【申请人】北京空间机电研究所
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年5月20日
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