Введение в сверхповерхностные линзы (металлензы) 丨 Принципы проектирования, применения и методы обработки

Что такое суперлинза?

Металлинзы также известны как суперконформные линзы. Это двумерная планарная линзовая структура, состоящая из суперповерхности (планарной двумерной (2D) линзы с субволновой толщиной). Метаматериалы), состоящий из оптических элементов, фокусирующих свет. Названа одной из 10 лучших развивающихся технологий 2019 года.

Обладая такими преимуществами, как более тонкий размер, меньший вес, низкая стоимость, лучшая визуализация и простота интеграции, суперлинзы предлагают потенциальное решение для компактных и интегрированных оптических систем. Поляризационные, фазовые и амплитудные свойства света можно регулировать путем изменения формы, направления вращения, высоты и других параметров структуры.

Принципы проектирования и фазовая модуляция суперлинз

Принципы проектирования гиперлинз основаны на двух особенностях гиперповерхности:Выбор распределения сверхповерхностной фазы и геометрический дизайн наноразмерных структур. Управление свойствами оптических волн (включая фазу, амплитуду и поляризацию) может быть достигнуто путем проектирования и изготовления геометрических структур, регулировки профиля, положения и угла субволновых структур для управления фокусировкой и характеристиками изображения суперлинзы.

Существует три основных метода фазовой модуляции для суперлинз:

Резонансная фазовая модуляция, фазовая модуляция распространения, геометрическая фазовая модуляция (также известная как фазовая модуляция PB).

Управление фазой резонансаЭто резкое изменение фазы путем изменения резонансной частоты, которая контролируется геометрией наноразмерной структуры. Однако, поскольку резонансные фазовые суперповерхности обычно изготавливаются из металлических материалов, таких как золото, серебро и алюминий, они неизбежно вызывают омические потери и затрудняют достижение высокоэффективной модуляции оптического поля. Проблема может быть эффективно решена с помощью суперповерхностной линзы, изготовленной из диэлектрического материала с низкими потерями.

Фаза распространенияЭто связано с тем, что электромагнитные волны при распространении создают разницу оптического диапазона, и это свойство может быть использовано для достижения фазовой модуляции. Фазовая модуляция (φ) регулируется разностью оптического диапазона, где длина волны равна λ, эффективный показатель преломления среды равен n и электромагнитная волна распространяется на расстояние d (высота структуры) в однородной среде, где k0 = 2π/λ - волновой вектор свободного пространства, тогда накопленная фаза распространения электромагнитной волны может быть выражена как

Когда микро-наноструктура сильно фиксирована, ее можно регулировать формой, размером и периодом структурных единиц микро-наноструктуры. Суперлинзы, разработанные на основе принципа распространяющейся фазы, обычно состоят из изотропных микро-наноструктур с высокой степенью симметрии. Поэтому они наделены суперлинзовой поляризационной нечувствительностью, т.е. фазовый отклик микро- и наноструктур не зависит от типа поляризации падающего света, и подходят для большинства применений.

Геометрические фазыэто метод искусственного управления градиентами или распределениями фазы путем изменения угла поворота микро-нано структуры с одинаковыми размерами для достижения резкого изменения фазы оптической волны, что значительно снижает сложность проектирования и обработки суперповерхности. Преимуществом геометрической фазовой модуляции является то, что на нее не влияет дисперсия материала, размер структуры или структурный резонанс.

Для достижения такой функции фокусирующей линзы, при которой все лучи света достигают одной и той же фокальной точки, фаза планарной суперлинзы должна удовлетворять:

где λ - длина волны, f - фокусное расстояние, а x и y - пространственные координаты относительно центра гиперлинзы. Фаза, соответствующая каждому положению, может быть рассчитана, и суперлинза может быть сконструирована путем реализации такого распределения фазы через гиперповерхность.

Угол поворота ячейки θ должен удовлетворять уравнению

Каждый из трех основных принципов фазовой модуляции для суперлинз был описан ранее, однако ни одна фазовая модуляция сама по себе не может обеспечить ахроматическую визуализацию или полноцветную визуализацию. В практических приложениях для достижения фазовой модуляции при изготовлении суперлинз часто используется смесь двух или более принципов.

Текущее состояние исследований и применение суперлинз

Суперлинзы с высокой числовой апертурой (NA)

Эффективность фокусировки суперлинз имеет решающее значение для приложений визуализации и зондирования. Эффективность фокусировки суперлинз может быть улучшена путем подавления 1) рассеяния, вызванного структурами с размерами в масштабе длины волны, 2) отражения, вызванного несоответствием импеданса, и 3) поглощения, вызванного потерями материала. Для повышения эффективности фокусировки могут быть использованы резонансные, геометрические и фазовые механизмы распространения.

Ахроматическая суперлинза (AML)

Являясь дифракционным оптическим устройством, суперлинзы, как и другие дифракционные линзы, страдают от серьезных хроматических аберраций. Хотя эти линзы способны работать в широком диапазоне оптических длин волн, наличие хроматической аберрации сильно ограничивает их применение в оптической фокусировке и визуализации. В частности, для оптических сверхразрешающих планарных сверхконфигурируемых линз существует множество проблем, связанных с устранением хроматических аберраций в планарных сверхконфигурируемых линзах при достижении сверхразрешающей точечной оптической диффузии.

Многоволновые ахроматические суперлинзы на основе связанных прямоугольных диэлектрических резонаторов с низкими потерями
Широкополосные ахроматические суперлинзы: строительные блоки и распределение интенсивности различных суперлинз
Узкополосные ахроматические суперлинзы

Мультифокальная суперлинза

Фокусирующие линзы с несколькими точками фокусировки являются важными оптическими элементами. В многоспектральных камерах использование нескольких объективов для достижения нескольких точек фокусировки приводит к созданию большого, тяжелого и дорогостоящего оборудования. Суперповерхности могут эффективно решить эту проблему с помощью специализированной конструкции, которая упрощает структуру оптической системы и отличается тонкостью, миниатюрностью и высокой степенью интеграции.

Метод обработки суперлинз

На основе фотолитографии

Фотолитография - это процесс, сочетающий экспонирование и травление. Маска с рисунком помещается на покрытую фоторезистом подложку. Под облучением определенного источника света фоторезист химически модифицируется. После проявки и травления на подложке формируются графические слои микронного и наномасштаба. Процесс фотолитографии обычно включает в себя обработку подложки, нанесение покрытия на подложку, ротационное нанесение фоторезиста, мягкую сушку, экспонирование, проявку, жесткую сушку, травление и тестирование.

Фотолитография имеет высокое разрешение и позволяет точно контролировать форму и размер получаемого рисунка. Она имеет широкий спектр применения в производстве полупроводников и микроэлектроники, оптике, биологии, метаматериалах и т.д. Однако ее применение ограничено высокой стоимостью оборудования, сложной средой, в которой она используется, и ограниченной доступностью подходящих материалов.

Электронно-лучевая литография (ЭЛЛ)

С помощью электронных лучей рисунок наносится непосредственно на поверхность, покрытую резистом, путем изменения растворимости резиста. Электронно-лучевая литография - это метод литографии с самым высоким разрешением из всех известных, разрешение достигает менее 10 нм. При преимуществах сверхвысокого разрешения и отсутствии необходимости в литографической маске, ее недостатками являются: 1, высокая точность выравнивания регистра в реальном 2, низкая эффективность, трудно применять крупномасштабное массовое производство 3, скорость экспозиции медленная. Поэтому эта технология в основном используется в производстве шаблонов оптической проекционной литографии, проверке дизайна новой технологии литографии, экспериментальных исследованиях, проверке прототипов и т.д.

Фемтосекундная лазерная литография прямой записи

Фемтосекундная лазерная литография прямой записи, также известная как двухфотонная литография или двухфотонная полимеризация (TPP), - это процесс, в котором фемтосекундный лазерный луч фокусируется внутри светочувствительного материала и, посредством фотоинициатора, запускает реакцию полимеризации, которая формирует микро/наноструктуры путем управления движением лазерного фокуса. Фемтосекундные лазеры имеютВысокая точность, высокая гибкостьиНастоящая 3D-обработкаЭти свойства позволяют изготавливать точные трехмерные микроструктуры произвольной формы без использования оптических масок, причем наименьшие размеры элементов в настоящее время достигают 10 нм.

Суперлинзы, изготовленные по технологии TPP

Технология наноимпринтинга (глубокие знания)

Наноимпринтлитография (NIL) - это микро- и нанопроцесс для создания наноразмерных узоров. Это микро- и нанопроцесс, в котором шаблон с наноразмерным рисунком наносится на полимерную подложку определенным образом для воспроизведения рисунка в равных пропорциях.

Наноимпринтинг является наиболее распространенным методом обработки полимерных структур. ИмеяНизкая стоимость, короткое время строительства, высокая производительность и высокое разрешениеК преимуществам продукта относятся.

Основными развитыми и широко используемыми технологическими процессами наноимпринтинга являются:Технология нанотермической печати (T-NIL), технология УФ-отверждаемой печати (UV-NIL) и технология микроконтактной печати (μCP).