메탈렌즈는 초곡면 렌즈라고도 합니다. 초표면(파장 이하의 두께를 가진 평면형 2차원(2D) 렌즈)으로 구성된 2차원 평면 렌즈 구조입니다. 메타소재) 빛을 집중시키는 광학 소자로 만들어졌습니다. 2019년 10대 신흥 기술 중 하나로 선정되었습니다.
더 얇은 크기, 더 가벼운 무게, 더 낮은 비용, 더 나은 이미징, 더 쉬운 통합이라는 장점을 가진 슈퍼렌즈는 컴팩트하고 통합된 광학 시스템을 위한 잠재적인 솔루션을 제공합니다. 빛의 편광, 위상 및 진폭 특성은 구조의 모양, 회전 방향, 높이 및 기타 파라미터를 조정하여 조정할 수 있습니다.
슈퍼렌즈의 설계 원리 및 위상 변조
하이퍼렌즈의 디자인 원리는 하이퍼서페이스의 두 가지 특정 기능에 기반합니다.나노 스케일 구조의 초표면 위상 분포 선택 및 기하학적 설계. 위상, 진폭 및 편광을 포함한 광파 특성 제어는 기하학적 구조의 설계 및 제조를 통해 달성할 수 있으며, 서브 파장 구조의 프로파일, 위치 및 각도를 조정하여 슈퍼 렌즈의 초점 및 이미징 특성을 제어할 수 있습니다.
슈퍼렌즈에는 세 가지 기본 위상 변조 방법이 있습니다.
공진 위상 변조, 전파 위상 변조, 기하학적 위상 변조(PB 위상 변조라고도 함).
공진 위상 제어공진 주파수를 변화시켜 위상을 급격하게 변화시키는 것으로, 나노 구조의 기하학적 구조에 의해 제어됩니다. 그러나 공진 위상 초표면은 일반적으로 금, 은, 알루미늄과 같은 금속 재료로 만들어지기 때문에 필연적으로 오믹 손실이 발생하고 고효율 광학 필드 변조를 달성하기 어렵습니다. 이 문제는 저손실 유전체 재료로 만든 초표면 렌즈로 효과적으로 해결할 수 있습니다.
전파 단계이는 전자파가 전파되는 동안 광학 범위 차이를 생성하기 때문이며, 이 속성을 사용하여 위상 변조를 달성할 수 있습니다. 위상 변조(φ)는 광학 범위 차이에 의해 조절되는데, 여기서 파장은 λ이고 매체의 유효 굴절률은 n이며 전자파는 균일한 매질에서 거리 d(구조물의 높이)에 걸쳐 전파되며, 여기서 k0 = 2π/λ은 자유 공간 파동 벡터이므로 전자파의 누적 전파 위상은 다음과 같이 표현할 수 있습니다.
마이크로 나노 구조가 고도로 고정된 경우 마이크로 나노 구조의 모양, 크기 및 구조 단위 주기로 조정할 수 있습니다. 전파 위상 원리를 기반으로 설계된 슈퍼 렌즈는 일반적으로 높은 수준의 대칭성을 가진 등방성 마이크로 나노 구조로 구성됩니다. 따라서 마이크로 및 나노 구조의 위상 응답은 입사광의 편광 유형과 무관한 슈퍼렌즈 편광 무감지성을 가지며 대부분의 애플리케이션에 적합합니다.
기하학적 단계은 동일한 치수를 가진 마이크로 나노 구조의 회전 각도를 조정하여 위상 구배 또는 분포를 인위적으로 제어하여 광파의 위상을 급격하게 변화시키는 방법으로, 초표면 설계 및 처리의 복잡성을 크게 줄일 수 있습니다. 기하학적 위상 변조의 장점은 재료 분산, 구조 크기 또는 구조 공명의 영향을 받지 않는다는 것입니다.
모든 광선이 동일한 초점에 도달하는 초점 렌즈 기능을 구현하려면 평면 슈퍼렌즈의 위상이 만족되어야 합니다.
여기서 λ는 파장, f는 초점 거리, x와 y는 하이퍼렌즈 중심을 기준으로 한 공간 좌표입니다. 각 위치에 해당하는 위상을 계산하고 하이퍼서페이스를 통해 이러한 위상 분포를 구현하여 슈퍼렌즈를 설계할 수 있습니다.
셀 회전 각도 θ는 다음 방정식을 만족해야 합니다.
슈퍼 구성 표면의 세 가지 기본 위상 변조 원리는 각각 앞에서 설명했지만 위상 변조만으로는 무채색 이미징 또는 풀 컬러 이미징을 얻을 수 없습니다. 실제 애플리케이션에서는 슈퍼렌즈를 만들 때 위상 변조를 달성하기 위해 두 가지 이상의 원리를 혼합하여 사용하는 경우가 많습니다.
슈퍼렌즈 연구 현황 및 응용 분야
높은 수치 조리개(NA) 슈퍼렌즈
슈퍼렌즈의 초점 효율은 이미징 및 센싱 애플리케이션에 매우 중요합니다. 슈퍼렌즈의 초점 효율은 1) 파장 크기의 구조로 인한 산란, 2) 임피던스 불일치로 인한 반사, 3) 재료 손실로 인한 재료 흡수를 억제함으로써 향상될 수 있습니다. 공진, 지오메트리 및 전파 위상 메커니즘을 사용하여 초점 성능을 향상시킬 수 있습니다.
무색 슈퍼렌즈(AML)
회절 광학 장치인 슈퍼렌즈는 다른 회절 렌즈와 마찬가지로 자체적으로 심각한 색수차를 가지고 있습니다. 이러한 렌즈는 광범위한 광학 파장에서 작동할 수 있지만 색수차가 존재하기 때문에 광학 초점 및 이미징에 적용하는 데 심각한 제한이 있습니다. 특히 광학 초고해상도 평면 초구성 렌즈의 경우, 평면 초구성 렌즈에서 색수차를 제거하면서 초고해상도 점 광학 확산을 달성하는 데는 많은 어려움이 있습니다.
저손실 결합 직사각형 유전체 공진기를 기반으로 하는 다중 파장 무색 슈퍼렌즈
광대역 무채색 슈퍼렌즈: 다양한 슈퍼렌즈의 구성 요소 및 강도 분포
협대역 무채색 슈퍼렌즈
다초점 슈퍼렌즈
여러 초점이 있는 초점 렌즈는 중요한 광학 요소입니다. 멀티스펙트럼 카메라에서는 여러 개의 초점을 맞추기 위해 여러 개의 렌즈를 사용하므로 장비가 크고 무거우며 비용이 많이 듭니다. 수퍼서페이스는 광학 시스템의 구조를 단순화하고 얇고 소형화하며 높은 수준의 통합을 특징으로 하는 특수 설계를 통해 이 문제를 효과적으로 해결할 수 있습니다.
슈퍼렌즈 처리 방법
포토리소그래피 기반
포토리소그래피는 노광과 에칭을 결합한 프로세스입니다. 포토레지스트가 코팅된 기판 위에 디자인이 있는 마스크를 놓습니다. 특정 광원을 조사하면 포토레지스트가 화학적으로 변형됩니다. 현상과 에칭이 끝나면 기판 위에 미크론 및 나노 크기의 그래픽 레이어가 형성됩니다. 포토리소그래피 공정에는 일반적으로 기판 처리, 기판 코팅, 회전식 포토레지스트 코팅, 연건조, 노광, 현상, 경건조, 에칭 및 테스트가 포함됩니다.
포토리소그래피는 해상도가 높고 결과 패턴의 모양과 크기를 정밀하게 제어할 수 있습니다. 반도체 및 마이크로일렉트로닉스 제조, 광학, 생물학, 메타물질 등 다양한 분야에서 폭넓게 활용되고 있습니다. 그러나 높은 장비 비용, 까다로운 사용 환경, 적합한 재료의 제한적인 가용성으로 인해 응용 분야가 제한적입니다.
전자 빔 리소그래피(EBL)
전자 빔을 사용하여 레지스트의 용해도를 변화시킴으로써 레지스트로 덮인 표면에 직접 디자인을 기록합니다. 전자빔 리소그래피는 현존하는 가장 높은 해상도의 리소그래피 기술로, 해상도가 10nm 이하에 이릅니다. 초고해상도와 리소그래피 마스크 플레이트가 필요 없다는 장점이 있지만, 단점은 1, 고정밀 정렬 레지스터가 실제 2, 효율이 낮고 대규모 양산 적용이 어렵고 3, 노출 속도가 느리다는 점입니다. 따라서이 기술은 주로 광학 프로젝션 리소그래피 템플릿 생산, 새로운 리소그래피 기술의 설계 검증, 실험 연구, 프로토 타입 검증 등에 사용됩니다.
펨토초 레이저 직접 쓰기 리소그래피
2광자 리소그래피 또는 2광자 중합(TPP)이라고도 하는 펨토초 레이저 직접 쓰기 리소그래피는 빛에 민감한 재료 내부에 펨토초 레이저 빔을 집중시키고 광개시제를 통해 레이저 초점의 움직임을 제어하여 마이크로/나노 구조를 형성하는 중합 반응을 촉발하는 공정입니다. 펨토초 레이저의 장점높은 정밀도, 높은 유연성그리고진정한 3D 가공이러한 특성을 통해 광학 마스크 없이도 임의의 형상의 정밀한 3D 미세 구조를 제작할 수 있으며, 현재 가장 작은 피처 크기는 10nm에 이릅니다.
TPP 기술로 만든 슈퍼렌즈
나노 임프린팅 기술(인사이트)
나노임프린트리소그래피(NIL)는 나노 스케일 패턴을 생성하는 마이크로 및 나노 공정입니다. 나노 스케일 패턴이 있는 템플릿을 폴리머 기판에 어떤 방식으로든 적용하여 동일한 비율로 패턴을 복제하는 마이크로 및 나노 공정입니다.
나노 임프린팅은 폴리머 구조를 처리하는 가장 일반적인 방법입니다. 가지고저렴한 비용, 짧은 구축 시간, 높은 출력 및 고해상도이 제품의 장점은 다음과 같습니다.
성숙하고 일반적으로 사용되는 주요 나노 임프린팅 기술 프로세스는 다음과 같습니다.나노 열 각인(T-NIL) 기술, 자외선 경화성 각인(UV-NIL) 기술 및 마이크로 접촉 인쇄(μCP) 기술.
