一种针对远红外大面积超构透镜、增透膜设计及加工方法

技术领域

本发明涉及光学工程技术领域，尤其是提供了一种针对远红外大面积超构透镜、增透膜设计及加工方法。

背景技术

近年来，随着平面光学的发展，超构透镜应运而生，与传统的光学器件相比，超构透镜具有亚波长尺度相位、振幅、偏振任意调控，轻薄、低损耗、易集成等诸多优点，因而受到广泛关注，尤其在红外成像、检测等领域大有替代传统光学透镜的潜力。

然而，由于超构透镜的表面反射效应，一方面会导致光能量的损失，使成像的亮度降低，另一方面会导致由于多次反射造成的杂散光到达像面，使成像的衬度降低，最直观的结果体现在超构透镜在远红外宽波段的低透过率；并且现有的超构透镜增透膜层结构复杂，加工难度大，生产稳定性差。

发明内容

基于此，本发明提供一种针对远红外大面积超构透镜的增透膜设计及加工方法，以减少超构透镜的表面反射效应引起的光能量损失，提高成像亮度，解决多次反射造成的杂散光到达像面问题，提高成像的衬度，并简化增透膜结构，以提高生产稳定性。

为了达到上述目的，一方面，本发明提供了一种针对远红外大面积超构透镜，包括基底Si层，所述基底Si层具有相对布置的上表面和下表面；所述基底Si层的上表面由内到外依次设置有第一ZnSe层、第一MgF

进一步的，所述超构透镜的基底与纳米微柱阵列层均由Si材料制成。

进一步的，所述基底Si层、第一ZnSe层、第一MgF

为了达到上述目的，另一方面，本发明提供了一种针对远红外大面积超构透镜的增透膜设计方法，步骤包括：

S110.确定增透膜的构成，增透膜为包括高折射率膜层和低折射率膜层的双膜层结构，增透膜对基底双面增透；

S120.确定高折射率膜层材料，针对远红外波段8-14μm，作为基底Si层的材质Si的折射率在该波段的折射率为3.42左右，优先选择的高折射率材料的折射率为2.4左右，选择高折射率材料为ZnSe；

S130.确定低折射率膜层材料，选择的低折射率材料为MgF

S140.优化增透膜各膜层物理厚度，基于增透膜在基底的双面增透方案，两面各两层λ0/4膜，初步确定各膜层光学厚度均为2500nm，进一步得出增透膜的各膜层物理厚度：第一MgF

进一步的，基于简化增透膜的镀制工艺、降低增透膜层镀制时间、提高增透膜层镀制效率等因素，确定增透膜为双膜层结构。

进一步的，在确定高折射率膜层材料过程中，基于远红外波段8-14μm，Si的折射率在该波段的折射率为3.42左右，通过遥减法，优先选择的高折射率材料的折射率为2.4左右。

进一步的，在确定低折射率膜层材料过程中，根据如下算式计算：

双层膜系的特征矩阵为：

由反射率计算式(3)及等效导纳式(4)可知，要使设计波长处的透射率最大，可使R＝0，即让n0＝Y；取设计波长为10μm，在设计波长处，n0＝1，n2＝2.40，nS＝3.42，同时按照双层λ0/4膜堆进行设计，即δ1＝δ2＝π/4，将上述值代入各式可得n1＝1.30；

其中，在入射角为0的情况下，n0——入射介质折射率，η1＝n1——低折射率材料的折射率，η2＝n2——高折射率材料的折射率，η3＝nS——基底折射率。

进一步的，在优化增透膜各膜层物理厚度过程中，采用单纯形法，对增透膜的膜厚进行优化。

为了达到上述目的，又一方面，本发明提供了一种针对远红外大面积超构透镜的增透膜加工方法，包括以下步骤：

S210：构建基底Si层；

S220：在所述基底Si层上表面依次镀第一ZnSe层、第一MgF

S230：在所述第一MgF

S240：在硅膜上旋涂一层紫外光刻胶；

S250：通过光刻机曝光显影定影得到超构透镜的微纳结构阵列图案；

S260：采用离子束刻蚀硅膜，形成超构透镜；

S270：去除光刻胶。

相比于现有的远红外超构透镜，本发明所提供的针对远红外大面积超构透镜、增透膜设计及加工方法，通过在超构透镜上镀制该膜系，有效提高了超构透镜在远红外宽波段的透过率，特别是大幅度提高超构透镜在远红外波段(8-14μm)的透过率，同时具有制备简单和膜层致密等特点。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。

在附图中：

图1为所提供的针对远红外大面积超构透镜超构透镜的立体示意图。

图2为所提供的针对远红外大面积超构透镜超构透镜的剖视图。

图3为未镀增透膜的超构透镜示意图，光源从外打入基底。

图4为未镀增透膜的超构透镜在远红外(8-14μm)波段的透过率与波长之间的关系图。

图5为所提供的镀有增透膜的超构透镜示意图，光源从外打入底层增透膜。

图6为所提供的镀有增透膜的超构透镜在远红外(8-14μm)波段的透过率与波长之间的关系图。

图7为在9.35μm处纳米微柱直径与光相位之间的关系图。

图8为验证结果对比图，左图为镀增透膜之前超构透镜在9.35μm处的焦班图，右图为镀增透膜之后超构透镜在9.35μm处的焦班图。

图9为所提供的一种针对远红外大面积超构透镜的增透膜设计方法的流程框图。

图10为所提供的增透膜各膜层物理厚度优化设计的流程框图。

图11为本发明的远红外大面积超构透镜和增透膜的制备工艺示意图。

图12为所提供的针对远红外大面积超构透镜的增透膜加工方法的流程框图。

附图标识说明：

1-基底Si层，2a-第一ZnSe层，3a-第一MgF

具体实施方式

在光学技术领域，由于超构透镜的表面反射效应，一方面会导致光能量的损失，使成像的亮度降低，另一方面会导致由于多次反射造成的杂散光到达像面，使成像的衬度降低，最直观的结果体现在超构透镜在远红外宽波段的低透过率，并且现有的超构透镜增透膜层结构复杂，加工难度大，生产稳定性差。

基于上述技术问题，本发明提供了一种针对远红外大面积超构透镜、增透膜设计及加工方法，包括基底Si层，包括相对布置的上表面和下表面；所述基底Si层的上表面由内到外依次设置有第一ZnSe层、第一MgF

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

如图1和图2所示，本发明提供的一种针对远红外大面积超构透镜的增透膜，包括基底Si层1，所述基底Si层1具有相对布置的上表面和下表面；所述基底Si层1的上表面由内到外依次设置有第一ZnSe层2a、第一MgF

所述超构透镜的基底与纳米微柱阵列层4均由Si材料制成，增透膜由两种材料组成，总共四层，针对远红外大面积超构透镜包括从下至上依次设置的第二MgF

如图3至图8所示，相比于现有的远红外超构透镜，本发明所提供的针对远红外大面积超构透镜，通过在超构透镜上镀制该膜系，有效提高了超构透镜在远红外宽波段的透过率，特别是大幅度提高超构透镜在远红外波段(8-14μm)的透过率，同时具有制备简单和膜层致密等特点。

如图9所示，进一步的，本发明提供了一种针对远红外大面积超构透镜的增透膜设计方法，包括步骤：

S110.确定增透膜的构成

基于简化增透膜的镀制工艺、降低增透膜层镀制时间、提高增透膜层镀制效率等因素，确定包括高折射率膜层和低折射率膜层的双膜层结构，增透膜对基底双面增透。

S120.确定高折射率膜层材料

针对远红外波段8-14μm，由于作为基底的硅(Si)折射率在该波段的折射率为3.42左右，根据遥减法设计思路，优先选择的高折射率材料的折射率为2.4左右，结合材料折射率表以及材料的光学特性，选择高折射率材料为硒化锌(ZnSe)。

S130.确定低折射率膜层材料

双层膜系的特征矩阵为：

其中，在入射角为0的情况下，n0——入射介质折射率，η1＝n1——低折射率材料的折射率，η2＝n2——高折射率材料的折射率，η3＝nS——基底折射率。

由反射率计算式(3)及等效导纳式(4)可知，要使设计波长处的透射率最大，可使R＝0，即让n0＝Y。取设计波长为10μm，在设计波长处，n0＝1，n2＝2.40，nS＝3.42，同时按照双层λ0/4膜堆进行设计，即δ1＝δ2＝π/4，将上述值代入各式可得n1＝1.30。

结合材料折射率表以及材料的光学特性，选择的低折射率材料为氟化镁(MgF

S140.优化增透膜各膜层物理厚度

如图10所示，基于增透膜在基底的双面增透方案，两面各两层λ0/4膜，初步确定各膜层光学厚度均为2500nm；通过Macleod和FDTD仿真技术，采用Simplex(单纯形法)，对增透膜的膜厚进行优化，经过多次迭代后得到最终优化结果，即增透膜的各膜层物理厚度为MgF

在增透膜层数及厚度方面，针对现有远红外超构透镜的增透膜设计中存在层数多、厚度大的问题，本发明所提供的针对远红外大面积超构透镜，有效减少增透膜的层数及厚度，使的最小膜层厚度维持在加工的稳定性范围内，从而提高了实际生产的稳定性。

如图11和图12所示，在一些实施例中，本发明提供了一种针对远红外大面积超构透镜的增透膜加工方法，包括以下步骤：

S210：构建基底Si层1；

S220：在所述基底Si层1上表面依次镀第一ZnSe层2a、第一MgF

S230：在所述第一MgF

S240：在硅膜上旋涂一层紫外光刻胶6；

S250：通过光刻机曝光显影定影得到超构透镜的微纳结构阵列图案7；

S260：采用离子束刻蚀硅膜5，形成超构透镜；

S270：去除紫外光刻胶6。

基于上述加工方法相对于现有技术，本发明提供的增透膜只需在基底两侧进行镀膜，无需在纳米微柱阵列表面进行加工，这大大减小了加工难度和加工误差可能产生的不良影响。在相位调制方面，使用FDTD仿真了纳米微柱在9.35μm处的光相位与直径的关系，由结果可知，镀增透膜并不影响纳米微柱对相位的调制，符合设计要求。

基于以上实施例，本发明所提供的一种针对远红外大面积超构透镜，有效提高了远红外(8-14μm)大面积超构透镜在宽波段的透过率。并且，更加简单的制备工艺减小了由加工误差带来的影响；进一步的，所提供的这种增透膜设计方法可进一步用于其他超构透镜增透膜的设计，具有普遍性和实用性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。