(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202011049159.4
(22)申请日 2020.09.29
(71)申请人 中国科学院长春光学精密机械与物
理研究所
地址 130033 吉林省长春市长春经济技术
开发区东南湖大路3888号
(72)发明人 邓永波 贾平
(74)专利代理机构 北京集佳知识产权代理有限
公司 11227
代理人 王晓坤
(51)Int.Cl.
G02B 27/00(2006.01)
G02B 3/00(2006.01)
(54)发明名称
(57)摘要
本申请公开了一种超构透镜及其制作方法，
该方法通过确定超构透镜的焦点；在截面组件的
件包括基底、截面层以及完美匹配层，且截面组
件内分布有激励波；根据设计变量进行截面层内
预选材料和真空相对介电常数的指数幂律混合
极大化；其中，预选材料为超构透镜的材料，将剖
面结构构型沿超构透镜的对称轴旋转，得到超构
透镜的结构构型；根据结构构型加工得到超构透
镜。根据所需的超构透镜逆向设计结构构型并加
工得到超构透镜，非常方便，并且通过获得剖面
结构构型，降低超构透镜的几何结构数据量，提
升制作效率。权利要求书2页 说明书6页 附图7页CN 112147778 A 2020.12.29
C N 112147778
A
1.一种超构透镜的制作方法，其特征在于，包括：
确定超构透镜的焦点；
在截面组件的截面层中设定所述超构透镜面型的设计变量；所述截面组件包括基底、所述截面层以及完美匹配层，且所述截面组件内分布有激励波；
根据所述设计变量进行所述截面层内预选材料和真空相对介电常数的指数幂律混合材质插值，确定所述预选材料的分布位置，得到所述超构透镜的剖面结构构型，以使所述焦点处电场能量密度极大化；其中，所述预选材料为所述超构透镜的材料；
将所述剖面结构构型沿所述超构透镜的对称轴旋转，得到所述超构透镜的结构构型；
根据所述结构构型，加工得到所述超构透镜。
2.如权利要求1所述的超构透镜的制作方法，其特征在于，所述根据所述设计变量在所述截面层进行预选
材料和真空相对介电常数的指数幂律混合材质插值，确定所述预选材料的分布位置，得到所述超构透镜的剖面结构构型包括：
步骤S1：通过偏微分方程滤波器和阈值投影法对所述设计变量进行光滑和锐化处理；
步骤S2：确定所述激励波的电磁场分布；
步骤S3：根据所述电磁场分布确定所述焦点处电场能量密度的伴随敏度；
步骤S4：根据所述伴随敏度演化所述设计变量，得到演化后的所述设计变量；
步骤S5：判断演化后的所述设计变量是否收敛；
步骤S6：若收敛，则根据演化后的所述设计变量得到所述剖面结构构型；
步骤S7：若不收敛，则返回步骤S1，直至所述设计变量收敛。
3.如权利要求1所述的超构透镜的制作方法，其特征在于，当所述预选材料为正性光刻胶时，所述根据所述结构构型，加工得到所述超构透镜包括：
在所述基底的上表面覆盖所述正性光刻胶；
对所述正性光刻胶进行坚膜处理；
根据所述结构构型对所述正性光刻胶进行光刻；
显影所述正性光刻胶，得到所述超构透镜。
4.如权利要求3所述的超构透镜的制作方法，其特征在于，在所述显影所述正性光刻胶之后，还包括：
利用乙醇清洗所述基底和所述正性光刻胶；
利用压缩气体吹干所述基底和所述正性光刻胶，得到所述超构透镜。
5.如权利要求3所述的超构透镜的制作方法，其特征在于，所述显影所述正性光刻胶包括：
采用甲基异丁基酮和异丙醇的显影液显影所述正性光刻胶。
6.如权利要求2所述的超构透镜的制作方法，其特征在于，所述根据所述电磁场分布确定所述焦点处电场能量密度的伴随敏度包括：
采用连续伴随分析方法，根据所述电磁场分布确定所述焦点处电场能量密度的所述伴随敏度。
7.如权利要求2所述的超构透镜的制作方法，其特征在于，当所述激励波以赫姆霍兹方程描述时，所述确定所述激励波的电磁场分布包括：
采用节点有限单元法，确定所述激励波的电磁场分布。
8.如权利要求1至7任一项所述的超构透镜的制作方法，其特征在于，所述确定超构透镜的焦点包括：
设定所述超构透镜的数值孔径和直径；
根据所述数值孔径和所述直径确定所述焦点。
9.一种超构透镜，其特征在于，所述超构透镜包括基底和纳米结构阵列，所述超构透镜由如权利要求1至8任一项所述的超构透镜的制作方法制得。
10.如权利要求9所述的超构透镜，其特征在于，所述纳米结构阵列的材料为正性光刻胶。
一种超构透镜及其制作方法
技术领域
[0001]本申请涉及光学技术领域，特别是涉及一种超构透镜及其制作方法。
背景技术
[0002]超构透镜通过亚波长尺度的纳米结构阵列从物理光学角度控制光波的能量与相位分布，实现成像等光学功能，其具有体积薄、质量轻、集成度高、数值孔径大等显著优势，在成像、探测、光束整形等领域有很高的潜在应用价值。
[0003]纳米结构阵列是超构透镜的一种实现方式，纳米结构高宽比接近10、阵列数达106～107每平方毫米。基于纳米结构阵列的超构透镜在制作时包括结构设计和加工两个方面，结构设计指设计出纳米结构阵列的结构构型，加工指根据得到的结构构型进行加工制作，得到超构透镜。目前在结构设计时，依靠的是技术人员的经验，根据对物理现象的一些理解设计出一种结构构型后进行不断的仿真模拟，确定出结构构型。这种方法难以综合考虑功能性、集成性并得到满足需求的超构透镜，制作效率低。
[0004]因此，如何解决上述技术问题应是本领域技术人员重点关注的。
发明内容
[0005]本申请的目的是提供一种超构透镜及其制作方法，根据所需的超构透镜逆向设计结构构型并加工得到所需的超构透镜，非常方便。
[0006]为解决上述技术问题，本申请提供一种超构透镜的制作方法，包括：
[0007]确定超构透镜的焦点；
[0008]在截面组件的截面层中设定所述超构透镜面型的设计变量；所述截面组件包括基底、所述截面层以及完美匹配层，且所述截面组件内分布有激励波；
[0009]根据所述设计变量进行所述截面层内预选材料和真空相对介电常数的指数幂律混合材质插值，确定所述预选材料的分布位置，得到所述超构透镜的剖面结构构型，以使所述焦点处电场能量密度极大化；其中，所述预选材料为所述超构透镜的材料；
[0010]将所述剖面结构构型沿所述超构透镜的对称轴旋转，得到所述超构透镜的结构构型；
[0011]根据所述结构构型，加工得到所述超构透镜。
[0012]可选的，所述根据所述设计变量在所述截面层进行预选材料和真空相对介电常数的指数幂律混合材质插值，确定所述预选材料的分布位置，得到所述超构透镜的剖面结构构型包括：
[0013]步骤S1：通过偏微分方程滤波器和阈值投影法对所述设计变量进行光滑和锐化处理；
[0014]步骤S2：确定所述激励波的电磁场分布；
[0015]步骤S3：根据所述电磁场分布确定所述焦点处电场能量密度的伴随敏度；[0016]步骤S4：根据所述伴随敏度演化所述设计变量，得到演化后的所述设计变量；
[0017]步骤S5：判断演化后的所述设计变量是否收敛；
[0018]步骤S6：若收敛，则根据演化后的所述设计变量得到所述剖面结构构型；[0019]步骤S7：若不收敛，则返回步骤S1，直至所述设计变量收敛。
[0020]可选的，当所述预选材料为正性光刻胶时，所述根据所述结构构型，加工得到所述超构透镜包括：
[0021]在所述基底的上表面覆盖所述正性光刻胶；
[0022]对所述正性光刻胶进行坚膜处理；
[0023]根据所述结构构型对所述正性光刻胶进行光刻；
[0024]显影所述正性光刻胶，得到所述超构透镜。
[0025]可选的，在所述显影所述正性光刻胶之后，还包括：
[0026]利用乙醇清洗所述基底和所述正性光刻胶；
[0027]利用压缩气体吹干所述基底和所述正性光刻胶，得到所述超构透镜。
[0028]可选的，所述显影所述正性光刻胶包括：
[0029]采用甲基异丁基酮和异丙醇的显影液显影所述正性光刻胶。
[0030]可选的，所述根据所述电磁场分布确定所述焦点处电场能量密度的伴随敏度包括：
[0031]采用连续伴随分析方法，根据所述电磁场分布确定所述焦点处电场能量密度的所述伴随敏度。
[0032]可选的，当所述激励波以赫姆霍兹方程描述时，所述确定所述激励波的电磁场分布包括：
[0033]采用节点有限单元法，确定所述激励波的电磁场分布。
[0034]可选的，所述确定超构透镜的焦点包括：
[0035]设定所述超构透镜的数值孔径和直径；
[0036]根据所述数值孔径和所述直径确定所述焦点。
[0037]本申请还提供一种超构透镜，所述超构透镜包括基底和纳米结构阵列，所述超构透镜由上述任一种所述的超构透镜的制作方法制得。
[0038]可选的，所述纳米结构阵列的材料为正性光刻胶。
[0039]本申请所提供的一种超构透镜的制作方法，包括：确定超构透镜的焦点；在截面组件的截面层中设定所述超构透镜面型的设计变量；所述截面组件包括基底、所述截面层以及完美匹配层，且所述截面组件内分布有激励波；根据所述设计变量在所述截面层进行预选材料和真空相对介电常数的指数幂律混合材质插值，确定所述预选材料的分布位置，得到所述超构透镜的剖面结构构型，以使所述焦点处电场能量密度极大化；其中，所述预选材料为所述超构透镜的材料，将所述剖面结构构型沿所述超构透镜的对称轴旋转，得到所述超构透镜的结构构型；根据所述结构构型，加工得到所述超构透镜。
[0040]可见，本申请中的制作方法通过确定出所需超构透镜的焦点，然后在截面层中设定表示超构透镜面型的设计变量，以使焦点处电场能量密度极大化为目标，根据设计变量在截面层中对表示超构透镜的预选材料和真空相对介电常数的指数幂律混合材质插值，确定预选材料在截面层的分布位置，从而得到超构透镜的剖面结构构型，将剖面结构构型沿超构透镜的对称轴旋转即可得到超构透镜的结构构型，根据结构构型进行加工，得到超构
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