CN104749665A - 基于介质材料的平面透镜单元、平面透镜及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于介质材料的平面透镜单元、平面透镜及制备方法，单元包括高折射率介质材料组成的天线、二氧化硅填充层、银镜和二氧化硅基底。平面透镜包括以中心对称分布的平面透镜单元，平面透镜单元的天线在x轴上呈周期分布，在y轴上以y=0为对称中心对称分布。制备方法为：第一步是在二氧化硅基底上覆盖一层银膜，然后在银膜表面上继续用电子束蒸镀覆盖填充层二氧化硅和硅膜；第二步是在硅膜上旋涂光刻胶，然后用电子束曝光技术完成光刻胶的刻蚀和显影；第三步是采用反应离子束刻蚀技术实现对硅膜的刻蚀；第四步是经过剥离过程得到最终的纳米硅天线。该结构可以提高一个数量级的聚焦效率，因此具有很高的实际应用价值。

Description

基于介质材料的平面透镜单元、平面透镜及制备方法

技术领域

本发明涉及集成光学领域，尤其涉及基于介质材料的平面透镜。

背景技术

在光学系统中，通常需要表面弯曲的镜子也就是球面透镜来聚焦和成像。传统透镜一般是利用玻璃或者是硅胶材料等来制备，在几何形状上是边缘薄中间厚或者是边缘厚两端薄的曲面。球面透镜是光学成像最简单的光学元件，为了实现大视场孔径光学系统和获得大的数值孔径，必须把透镜制作很大，这样得到的透镜质量和体积都会很大。

在代替传统的透镜技术中，有一种是菲涅耳透镜。相比传统的球面透镜，菲涅耳透镜通过将透镜划分为一系列理论上无数多个同心圆纹路(即菲涅耳带)达到相同的光学效果，节省了材料的用量。

超构表面是二维的超材料技术，三维的超材料被拓展到了二维结构，通过二维的微小电散射体或空腔的阵列排布于基体材料表面或介质界面获得一种新型的超材料。利用超构表面对电磁波的相位调控，可以在平面上制备光学透镜。

在光学系统中，球面像差是发生在经过球面透镜折射或面镜反射的光线，接近中心与靠近边缘的光线不能将影像聚集在一个点上的现象。这在望远镜和其他的光学仪器上都是一个缺点。这是导致球面透镜和反射面镜必须满足所需的形状，否则不能聚焦在一个点上造成的。在透镜系统中，可以使用凸透镜和凹透镜的组合来减少球面像差，就如同使用非球面透镜一样。但是透镜组往往结构复杂，通常需要八至十几片光学元件，这样一方面导致光学系统的透过率低，另外在空间和体积上增大无法满足集成要求。

使用普通的凸透镜，会出现边角变暗、模糊的现象，这是因为光的折射只发生在介质的交界面，凸透镜片较厚，光在玻璃中直线传播的部分会使得光线衰减。如果可以去掉直线传播的部分，只保留发生折射的曲面，便能省下大量材料同时达到相同的聚光效果。菲涅耳透镜就是采用这种原理的。菲涅耳透镜看上去像一片有无数多个同心圆纹路(即菲涅耳带)的玻璃，却能达到凸透镜的效果，如果投射光源是平行光，汇聚投射后能够保持图像各处亮度的一致。菲涅耳透镜是一个更先进的减少透镜体积与重量的解决方案，它通过引入了一个渐进的阶梯相位使得它在径向方向聚焦光更有效率。通过有效的限制吸收损失和收集斜入射光线，菲涅耳透镜在光学系统中具有大数值孔径的优势。为了保证具有一个光滑连续的球面相位分布实现光波聚焦，菲涅耳透镜的厚度至少等于有效波长。此外，菲涅耳透镜的厚度需要制造成连续的锥形，这个使得在制造方面变得极其复杂。

要制造像差校正的光学透镜，通常它需要复杂的优化技术如非球面形状或多镜头设计，这类技术制造成本昂贵而且得到的光学器件非常笨重。

在现代光学中，实现对光传播的完全控制是目前一个重要研究方向。为了实现这样的控制，需要创造出应具有0到2π相位调制和实现控制光振幅的器件。在传统光学元器件中如双折射波片和球面透镜,对于不同偏振态或不同空间的光束需要一个显著的传播距离以获取不同相位积累,因此制备这类传统器件需要较厚的材料,但是这样的器件难以嵌入到集成光学系统。集成问题的解决方案之一是使用反射和透射天线阵列。这种方法最初被用于微波频率和毫米波频率,使用单个或几个超薄天线层实现对电磁波振幅和相位的控制。在微波频率和毫米波频率区域,通过频率选择表面反射阵列获得对电磁波相位的局域控制，进而实现平面透镜替代传统透镜的设计。例如在反射阵列中，散射单元内包含的金属天线与局域平面耦合可以在入射光和散射光之间产生一个任意的相移。随着位置的变化同时改变天线的几何参数,这些天线阵列可以在空间上实现对光相位的控制。最近,类似的材料,在光学频率段实现同样的效应，这种材料被称为超构表面。超构表面利用非对称的电偶极子谐振机理对偏振方向垂直于入射光偏振方向的散射光相位实现了0到2π的完全控制。如在透射阵列中一样，随着位置改变谐振天线的几何参数可以在亚波长厚的薄层内实现对光波波阵面的任意控制。这类的超构表面已经被呈现应用于异常折射，四分之一和二分之一波片，透镜和轨道角动量的控制。

目前超构表面的构成材料主要是金属材料。由金属材料构成的等离子体激元机制超构表面的缺点是这类金属结构通常具有金属欧姆损耗和在入射波与反射波之间的弱耦合效应，因此这类超构表面的效率很低。可以利用多层或者厚度大的超构表面实现电谐振和磁谐振的叠加，进而增加超构表面的工作效率，但是同时这些方法都增加制备材料的复杂层度和体积。在另外的一种方案中，可以利用金属天线阵列和一个反射镜面在亚波长薄膜内引入多次反射实现高效率的异常反射和线性传输转换。虽然这类方案避免了制备的复杂层度，但是由于金属的欧姆损耗仍然限制了这种金属构成的超构表面的工作效率。

发明内容

为了解决现有技术中问题，本发明提供了一种基于介质材料的平面透镜单元，单元包括高折射率介质材料组成的天线、二氧化硅填充层、银镜和二氧化硅基底，其中顶层是天线结构，中间一层是二氧化硅填充层，底部是银镜和基底材料，其中天线的宽度尺寸a＝210nm至290nm,天线的长度尺寸b＝350nm至390nm，二氧化硅填充层、银镜和二氧化硅基底的长度和宽度相等，记为P，周期P＝680±10nm,天线结构厚度t₁＝400±5nm，二氧化硅填充层厚度t₂＝200±5nm，银层厚度t₃＝150±20nm。

作为本发明的进一步改进，所述天线为硅、碲、锗或氧化铝中的一种。

作为本发明的进一步改进，其包括以中心对称分布的平面透镜单元，平面透镜单元的天线在x轴上呈周期分布，在y轴上以y＝0为对称中心对称分布，对称中心右边的分布序号为1、1、2、3、4、5、6、1、3、5、6，对应的天线编号的几何参数为：天线1的参数a＝280±2nm,b＝380±2nm；天线2的参数a＝270±2nm,b＝350±2nm；天线3的参数a＝240±2nm,b＝360±2nm；天线4的参数a＝210±2nm,b＝370±2nm；天线5相对于天线2顺时针旋转90°；天线6相对于天线4顺时针旋转90°。

上述所述的基于介质材料的平面透镜单元的制备方法为：

第一步是利用电子束蒸镀方法在二氧化硅基底上覆盖一层银膜，然后在银膜表面上继续用电子束蒸镀覆盖填充层二氧化硅和硅膜；

第二步是在硅膜上旋涂光刻胶，然后用电子束曝光技术完成光刻胶的刻蚀和显影；

第三步是采用反应离子束刻蚀技术实现对硅膜的刻蚀；

第四步是经过剥离过程得到最终的纳米硅天线。

本发明的有益效果是：

超构表面柱面镜的优势如下：

1、该结构在近红外波段实现了光波聚焦，而且相对于金属结构超构表面透镜1％左右的效率，这种介质材料结构可以提高一个数量级的聚焦效率，因此具有很高的实际应用价值。在特定频率入射光的照射下，该平面对电磁场的聚焦效率可达30％以上，更利于信号的聚焦成像。

2、该结构尺寸小，厚度薄。从结构的参数来看，超材料的厚度可以达到800nm级别，对于微纳米光子学器件可利用性高。

尺寸小:超构表面结构厚度在亚波长级别，更加有利于集成光学中的应用。

附图说明

图1是本发明结构单元的三维示意图；

图2是本发明结构单元的俯视图；

图3是本发明结构单元的侧视图；

图4是柱面镜天线分布三维示意图；

图5是柱面镜天线分布二维示意图；

图6是柱面镜聚焦电场分布示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

针对现有光学透镜的不足，为了有效减小透镜的体积和重量，采用超构表面以此可以在微纳尺度上制备出光学透镜，同时由于超构表面的平面构造可以大大减低透镜因为球面几何形状导致的单色球面相差。并且，为了避免金属的损耗导致超构表面的低效率，提出基于介质材料的超构表面平面柱面镜(其他透镜设计如平面凸透镜，平面凹透镜，平面锥透镜等)设计。这种平面透镜工作在透射模式的介质材料超构表面比金属材料有较高的工作效率，工作在反射模式有更高的工作效率。本设计工作在近红外波段，但是该设计可以推广至整个电磁波段。在该设计中，将硅(其他高折射率介质材料如碲，锗，氧化铝等)作为介质谐振天线的材料，利用硅高折射率的光学性能使纳米光学天线具有调控散射光的相位性能。谐振的电介质超材料提供了解决损耗问题的可行性方案。由高折射率材料构成的电介质超材料谐振天线因为米氏谐振可以支持电偶极子和磁偶极子的响应。

利用硅天线可对几何平面上的任意一点的相位变化进行设计，使得在平面界面上的相位分布和通常透镜由于球面形貌带来的相位变化相似，就可以用厚度仅为几十个纳米的天线平面上实现传统透镜聚焦光的作用。

具体实施方案如下：该结构示意图如图1所示：超构表面材料结构单元包括硅天线、二氧化硅填充层、银镜和二氧化硅基底，其中顶层是硅天线结构，中间一层是二氧化硅填充层，底部是银镜和基底材料。在本发明中，将二氧化硅作为填充层材料，因为二氧化硅在红外波段性质比较稳定，没有色散。

该纳米光学天线结构是硅材料，在此选用硅作为谐振天线的材料，因为硅在红外波段的损耗相较而言更小。其中制备部分的难度在于如何制备出损耗比较小的结构，以及制备缺陷较小的谐振天线结构，因为硅天线几何结构参数是控制散射波的相位与振幅的因素，所以硅天线的完整程度对其性能影响很大。目前国际上制备硅膜的方法有电子束蒸镀，这样得到的材料纯度比较高，表面比较平整，损耗比较小。制备硅天线的几何图案则由电子束曝光系统得到光刻胶掩膜版，然后利用反应离子束刻蚀硅膜。

结构单元的几何设计如图2，图3所示，其中硅天线的宽度尺寸a＝280±2nm,硅天线的长度尺寸b＝380±2nm，二氧化硅填充层、银镜和二氧化硅基底的长度和宽度相等，记为P，周期P＝680±10nm,硅天线结构厚度t₁＝400±5nm，二氧化硅填充层厚度t₂＝200±5nm，银层厚度t₃＝150±20nm。

柱面镜的结构设计如图4，图5所示，对应的天线编号的几何参数为：天线1的参数a＝280±2nm,b＝380±2nm；天线2的参数a＝270±2nm,b＝350±2nm；天线3的参数a＝240±2nm,b＝360±2nm；天线4的参数a＝210±2nm,b＝370±2nm；天线5相对于天线2顺时针旋转90°；天线6相对于天线4顺时针旋转90°；柱面镜的天线在x轴上以如图4所示的单元图呈周期分布；y轴上以y＝0为对称中心对称分布，对称中心右边(y＞0)的分布序号如图5所示。

当入射波长为1.55μm且偏振方向为y轴方向的线性光时，柱面镜可以得到反射光的聚焦效应，并且聚焦的反射光偏振方向为x轴方向。通过计算可以得到反射光相对于入射光的效率约为90.5±0.5％，同时柱面镜的聚焦效率为30.5±0.5％。这个柱面镜的设计厚度为800±20nm，这样透镜的厚度和体积远远小于传统透镜的厚度与体积。柱面镜的聚焦效应电场分布图如图6所示。

结构制备流程：第一步是利用电子束蒸镀方法在二氧化硅基底上覆盖一层银膜，然后在银膜表面上继续用电子束蒸镀覆盖填充层二氧化硅和硅膜。第二步是在硅膜上旋涂光刻胶，然后用电子束曝光技术完成光刻胶的刻蚀和显影。第三步是采用反应离子束刻蚀技术实现对硅膜的刻蚀。第四步是经过剥离过程得到最终的纳米硅天线。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于介质材料的平面透镜单元，其特征在于：单元包括高折射率介质材料组成的天线、二氧化硅填充层、银镜和二氧化硅基底，其中顶层是天线结构，中间一层是二氧化硅填充层，底部是银镜和基底材料，其中天线的宽度尺寸a＝210nm至290nm,天线的长度尺寸b＝350nm至390nm，二氧化硅填充层、银镜和二氧化硅基底的长度和宽度相等，记为P，周期P＝680±10nm,天线结构厚度t₁＝400±5nm，二氧化硅填充层厚度t₂＝200±5nm，银层厚度t₃＝150±20nm。

2.根据权利要求1所述的基于介质材料的平面透镜单元，其特征在于：所述天线为硅、碲、锗或氧化铝中的一种。

3.包括权利要求1或2所述的基于介质材料的平面透镜单元的平面透镜，

其特征在于：其包括以中心对称分布的平面透镜单元，平面透镜单元的天线在x轴上呈周期分布，在y轴上以y＝0为对称中心对称分布，对称中心右边的分布序号为1、1、2、3、4、5、6、1、3、5、6，对应的天线编号的几何参数为：天线1的参数a＝280±2nm,b＝380±2nm；天线2的参数a＝270±2nm,b＝350±2nm；天线3的参数a＝240±2nm,b＝360±2nm；天线4的参数a＝210±2nm,b＝370±2nm；天线5相对于天线2顺时针旋转90°；天线6相对于天线4顺时针旋转90°。

4.权利要求2所述的基于介质材料的平面透镜单元的制备方法为：

第一步是利用电子束蒸镀方法在二氧化硅基底上覆盖一层银膜，然后在银膜表面上继续用电子束蒸镀覆盖填充层二氧化硅和硅膜；

第二步是在硅膜上旋涂光刻胶，然后用电子束曝光技术完成光刻胶的刻蚀和显影；

第三步是采用反应离子束刻蚀技术实现对硅膜的刻蚀；

第四步是经过剥离过程得到最终的纳米硅天线。