本发明属于光学元件及微纳结构制造，具体涉及一种具有表面微纳结构的透射型光学元件及其制备方法和应用。
背景技术：
1、随着社会的发展和技术的进步，透射型光学元件正朝向宽光谱、抗反增透、消杂散光、高光电转换效率等综合性能优异的方向发展，尤其是在航空航天、军事安防、光谱检测等重点领域具有广阔应用前景。具有表面微纳结构的透射型光学元件由于其体积小、厚度薄、重量轻、透射谱可调控等特性而广泛应用于相关领域的光学探测、光学成像系统中。
2、目前制备具有表面微纳结构的透射型光学元件，有两种方案：一种是通过在常规光学元件的出射端面表面上制备内壁陡直的圆孔式微纳结构阵列功能层来实现，其受限于孔内壁陡直度和结构层折射率过渡性差，导致抗反增透效果较差、光电转换效率较低等不足，进而导致光学系统探测效率较低、成像质量较差；另一种是通过在常规光学元件入射端面表面上制备凹坑式微纳结构阵列功能层来实现，其受限于光学元件与光电转换层之间的折射率偏差较大，导致界面反射率较大、光电转换效率较低等不足，进而导致光学系统探测效率较低、成像质量较差。由此可见，目前的两种方案仍然无法满足高性能的光学探测和光学成像系统的严苛要求。
技术实现思路
1、有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种具有表面微纳结构的透射型光学元件及其制备方法和应用，所要解决的技术问题是采用光学玻璃作为基底，通过在光学玻璃的两端端面表面上分别构造出合适的亚微米量级微纳结构的周期性阵列功能层，实现对400nm～1200nm宽光谱范围内光子信号的低反射、高透过、高衍射，进而实现高灵敏度探测、高清晰度成像的目的。
2、本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。本发明提出的一种具有表面微纳结构的透射型光学元件，所述透射型光学元件包括基底，所述基底具有接收和透过入射光的入射端面以及相对的出射端面，所述基底的入射端面及出射端面分别具有形貌渐变的空心体微纳结构周期阵列，所述微纳结构周期阵列包括多个微纳结构单元；所述出射端面的微纳结构单元内填充有高折射率的透明薄膜材料并形成实心体形貌微纳结构周期阵列。
3、优选的，前述的具有表面微纳结构的透射型光学元件中，其中所述入射端面的空心体微纳结构周期阵列及出射端面的实心体微纳结构周期阵列的形貌顶部均朝向玻璃基底的内部。
4、优选的，前述的具有表面微纳结构的透射型光学元件中，其中所述空心体微纳结构周期阵列的形貌为锥形、台形或高斯面形，其在平面上的底部投影轮廓为圆形、正方形或正多边形，其底部投影的外接圆半径为125nm～350nm，顶部投影的外接圆半径小于等于50nm，周期p为500nm～700nm，周期性阵列的占空比大于等于0.5，高度/深度为300nm～400nm。
5、优选的，前述的具有表面微纳结构的透射型光学元件中，其中所述基底的材质为冕牌光学玻璃、火石光学玻璃或石英光学玻璃，其折射率为1.45～1.9，其有效区在400nm～1200nm范围内的透过率≥90％。
6、优选的，前述的具有表面微纳结构的透射型光学元件中，其中所述透明薄膜材料的折射率须大于玻璃基底的折射率，且对工作波长400nm～1200nm透明。
7、本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。本发明提出的一种具有表面微纳结构的透射型光学元件的制备方法，包括以下步骤：
8、s1、将干净的玻璃基底的两端表面上分别刻蚀出形貌渐变的空心体微纳结构周期性阵列，经多次超声清洗，得到干净的具有边缘整齐的空心体形貌的周期性阵列微纳结构功能层的玻璃元件；
9、s2、将步骤s1得到的玻璃元件的出射端面表面上镀制薄膜作为空心体结构的填充材料；
10、s3、将步骤s2镀膜后的出射端面表面进行抛光处理，得到厚度为300nm～400nm的嵌入式实心体形貌的周期性阵列微纳结构功能层；
11、s4、将步骤s3得到的两端端面具有微纳结构功能层的玻璃元件进行超声清洗，得到两端面具有表面微纳结构的透射型光学元件。
12、优选的，前述的具有表面微纳结构的透射型光学元件的制备方法中，其中步骤s1中，所述空心体微纳结构周期性阵列呈六方密排或四方密排分布。
13、优选的，前述的具有表面微纳结构的透射型光学元件的制备方法中，其中步骤s1中，所述空心体微纳结构周期性阵列的形貌顶部朝向玻璃基底内部。
14、优选的，前述的具有表面微纳结构的透射型光学元件的制备方法中，其中步骤s1中，所述形貌渐变的空心体微纳结构周期阵列包括多个微纳结构单元，微纳结构单元形貌为锥形、台形或者高斯面形的一种，微纳结构单元的底部投影轮廓为圆形、正方形或正多边形，其底部投影的外接圆半径为125nm～350nm，顶部投影的外接圆半径小于等于50nm，周期p为500nm～700nm、高度/深度为300nm～400nm，微纳结构周期性阵列的占空比大于等于0.5。
15、优选的，前述的具有表面微纳结构的透射型光学元件的制备方法中，其中步骤s1中，所述超声清洗包括常规超声清洗、酸碱交替超声清洗以及无水乙醇/异丙醇超声清洗。
16、优选的，前述的具有表面微纳结构的透射型光学元件的制备方法中，其中步骤s1中，所述酸碱交替超声清洗包括：将稀释的氢氟酸溶液和稀释的强碱溶液采用交替的方法进行酸碱化学腐蚀超声清洗。
17、优选的，前述的具有表面微纳结构的透射型光学元件的制备方法中，其中步骤s2中，所述薄膜的折射率须大于玻璃基底的折射率，且对工作波长400nm～1200nm透明。
18、优选的，前述的具有表面微纳结构的透射型光学元件的制备方法中，其中步骤s2中，所述薄膜的材质选自五氧化二钽、五氧化二铌、氧化锆、氧化钇、氧化铝、氧化锌和氧化铈中的一种薄膜或至少两种材料的复合薄膜。
19、优选的，前述的具有表面微纳结构的透射型光学元件的制备方法中，其中步骤s4中，所述具有表面微纳结构的透射型光学元件的入射端微纳结构无填充材料，其出射端微纳结构填充有较高折射率的透明薄膜材料。
20、本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。本发明提出的一种光学系统，所述光学系统包括光学器件，所述光学器件采用具有表面微纳结构的透射型光学元件；所述透射型光学元件包括基底，所述基底具有接收和透过入射光的入射端面以及相对的出射端面，所述基底的入射端面及出射端面分别具有形貌渐变的微纳结构周期阵列，所述微纳结构周期阵列包括多个微纳结构单元；所述出射端面的微纳结构单元内填充有高折射率的透明薄膜材料并形成实心体微纳结构周期阵列。
21、优选的，前述的光学器件中，其中所述光学器件系统为光学成像系统或光信号探测系统。
22、借由上述技术方案，本发明提供的具有表面微纳结构的透射型光学元件及其制备方法和应用，至少具有下列优点：
23、本发明所提供的具有表面微纳结构的透射型光学元件，其通过在两端面表面上分别构建渐变式微纳结构周期性阵列，形成折射率渐变的微纳结构功能层，以降低两端面界面反射和散射、调控端面折射率，提高光电转换效率，进而实现在(400nm～1200nm)光谱范围内抗反增透、消杂散光、提高光电转换效率的目的。基于该方法制成的透射型光学元件，适用于扁平化、轻量化的光学系统，可以用作光学镜头、光学窗口来提升相关仪器设备的综合性能，在促进光学探测与成像技术的应用和发展方面具有重要意义。
24、本发明所提供的具有表面微纳结构的透射型光学元件，其在400nm～1200nm宽光谱范围内的平均反射率为0.8％-2.8％，平均透过率为95.2％-96.6％，平均转换效率为16.6％-21.1％。
25、上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例详细说明如后。
1.一种具有表面微纳结构的透射型光学元件，其特征在于，所述透射型光学元件包括基底，所述基底具有接收和透过入射光的入射端面以及相对的出射端面，所述基底的入射端面及出射端面分别具有形貌渐变的空心体微纳结构周期阵列，所述微纳结构周期阵列包括多个微纳结构单元；所述出射端面的微纳结构单元内填充有高折射率的透明薄膜材料并形成实心体微纳结构周期阵列。
2.如权利要求1所述的具有表面微纳结构的透射型光学元件，其特征在于，所述入射端面的空心体微纳结构周期阵列及出射端面的实心体微纳结构周期阵列的形貌顶部均朝向玻璃基底的内部。
3.如权利要求1所述的具有表面微纳结构的透射型光学元件，其特征在于，所述空心体微纳结构周期阵列的形貌为锥形、台形或高斯面形，其在平面上的底部投影轮廓为圆形、正方形或正多边形，其底部投影的外接圆半径为125nm～350nm，顶部投影的外接圆半径小于等于50nm，周期p为500nm～700nm，占空比大于等于0.5，高度/深度为300nm～400nm。
4.如权利要求1所述的具有表面微纳结构的透射型光学元件，其特征在于，所述基底的材质为冕牌光学玻璃、火石光学玻璃或石英光学玻璃，其折射率为1.45～1.9，其有效区在400nm～1200nm范围内的透过率≥90％；所述透明薄膜材料的折射率须大于玻璃基底的折射率，且对工作波长400nm～1200nm透明。
5.一种具有表面微纳结构的透射型光学元件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
6.如权利要求5所述的具有表面微纳结构的透射型光学元件的制备方法，其特征在于，步骤s1中，所述微纳结构周期性阵列呈六方密排或四方密排分布；所述空心体微纳结构周期性阵列的形貌顶部朝向玻璃基底内部。
7.如权利要求5所述的具有表面微纳结构的透射型光学元件的制备方法，其特征在于，步骤s1中，所述形貌渐变的空心体微纳结构周期阵列包括多个微纳结构单元，微纳结构单元形貌为锥形、台形或者高斯面形的一种，微纳结构单元的底部投影轮廓为圆形、正方形或正多边形，其底部投影的外接圆半径为125nm～350nm，顶部投影的外接圆半径小于等于50nm，周期p为500nm～700nm、高度/深度为300nm～400nm，微纳结构周期性阵列的占空比大于等于0.5；所述超声清洗包括常规超声清洗、酸碱交替超声清洗以及无水乙醇/异丙醇超声清洗；所述酸碱交替超声清洗包括：将稀释的氢氟酸溶液和稀释的强碱溶液进行交替使用的化学腐蚀方法进行超声清洗。
8.如权利要求5所述的具有表面微纳结构的透射型光学元件的制备方法，其特征在于，步骤s2中，所述薄膜的折射率须大于玻璃基底的折射率，且对工作波长400nm～1200nm透明；所述薄膜的材质选自五氧化二钽、五氧化二铌、氧化锆、氧化钇、氧化铝、氧化锌和氧化铈中的一种薄膜或至少两种形成的复合薄膜；步骤s4中，所述具有表面微纳结构的透射型光学元件的入射端微纳结构无填充材料，其出射端微纳结构填充有高折射率的透明薄膜材料。
9.一种光学系统，其特征在于，所述光学系统包括光学器件，所述光学器件采用具有表面微纳结构的透射型光学元件；所述透射型光学元件包括基底，所述基底具有接收和透过入射光的入射端面以及相对的出射端面，所述基底的入射端面及出射端面分别具有形貌渐变的空心体微纳结构周期阵列，所述微纳结构周期阵列包括多个微纳结构单元；所述出射端面的微纳结构单元内填充有高折射率的透明薄膜材料并形成实心体微纳结构周期阵列。
10.如权利要求9所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统为光学成像系统或光信号探测系统。
