CN113728249A - 光学超表面及相关制造方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于制造被配置为在给定的工作光谱带中操作的光学超表面的方法(100)。该方法包括：获得(110)图案的2D阵列(220)，每个图案包括一个或多个纳米结构，该一个或多个纳米结构形成在工作光谱带中谐振的谐振介电元件(222)，所述纳米结构在至少一种光敏介电材料中形成，所述至少一种光敏介电材料的折射率能够通过暴露于波长位于光敏光谱带中的至少一个写入电磁波而变化；将所述2D阵列暴露(120)于至少一个波长位于所述光敏光谱带中的写入电磁波，所述写入波在2D阵列的平面中具有作为预期相位分布的函数的空间能量分布，使得在所述暴露之后，2D阵列中的每个图案在波长位于工作光谱带中的入射电磁波上产生与所述图案在所述暴露期间经历的折射率变化相对应的相位变化。

Description

光学超表面及相关制造方法和系统
技术领域
本发明涉及光学超表面领域，更具体而言，涉及介电光学超表面的定制制造。
背景技术
为了控制光束，更一般而言，为了控制电磁波，传统部件(例如棱镜或透镜)在通过形成该传统部件的材料的传播过程中产生累积相位延迟。因此，对于例如棱镜或透镜而言，在具有给定折射率的材料中穿过的厚度连续变化，以便与在空气中的传播相比增加光程。因此，部件的光学功能完全由其固有特性(例如形状和折射率)确定。
目前，纳米技术使得设计一类新的光学部件成为可能，该类光学部件称为“光学超表面”，其由包括纳米结构(例如由介电或金属材料制成的纳米柱或其它颗粒，其形成谐振或准谐振元件的光栅)的2D光学元件形成。光学超表面(例如在Minovich等人的综述文章Functional and optical metasurfaces,Laser Photonics Rev.,1-19(2015)中所描述的)尤其允许相位、振幅和/或偏振在波长数量级的厚度尺度上发生突变。因此，与传统的光学部件相比，这些光学超表面除了是厚度非常小(即小于或等于波长)的平面部件之外，还在控制波前方面提供了很大的灵活性。为控制光在光学超表面中的传播，需要在空间的三个维度中的两个维度上进行亚波长尺度的结构化，这使得该技术挑战尤其困难。
例如，专利申请公开文本US 2017/0212285描述了具有以2D阵列分布的谐振元件并使得可以控制红外范围内的入射波的相位的介电光学超表面。谐振元件在结构上不同，并且以生成期望的相位分布的方式进行分布。例如，谐振元件具有不同的横向尺寸，以便生成期望的相位分布。
为了在例如上述文献描述的光学超表面中产生对相位的局部控制，需要在波长尺度上完美地控制超表面的每个谐振元件。这种约束使得该方法难以大规模实施。因此，这些技术往往仅限于实验室演示。
本说明书的目的是提供一种用于制造光学超表面的新方法，该方法使得可以克服现有技术中的至少一些困难。
发明内容
根据第一方面，本发明涉及一种用于制造被配置为在给定的工作光谱带中操作的光学超表面的方法，该方法包括以下步骤：
-获得图案的2D阵列，每个图案包括一个或多个纳米结构，该一个或多个纳米结构形成在所述工作光谱带中谐振的介电元件，所述纳米结构在至少一种光敏介电材料中形成，所述至少一种光敏介电材料的折射率能够通过暴露于波长位于光敏光谱带中的至少一个写入电磁波而变化；
-将所述2D阵列暴露于至少一个波长位于所述光敏光谱带中的写入电磁波，所述写入波在所述2D阵列的平面中具有作为预期相位分布的函数的空间能量分布，使得在所述暴露之后，所述2D阵列中的每个图案在波长位于工作光谱带中的入射电磁波上产生与所述图案在所述暴露期间经历的折射率变化相对应的相位变化。
如此描述的制造方法允许光学超表面的定制制造，按照用于光学超表面的光学功能的函数，事后(即在获得包括谐振介电元件的图案的2D阵列之后)执行折射率的局部控制。因此，可以产生具有大尺寸(即大于几个mm2)的光学超表面。
根据一个或多个示例性实施例，包括一个或多个谐振介电元件的所述图案是相同的并且沿两个方向周期性地布置，其中沿每个方向具有亚波长周期。因此，可以首先制造均匀的2D阵列，并且以定制的方式控制旨在通过所述折射率的局部变化生成的所述相位分布。
光学超表面是在空间的三个维度中的两个维度上在亚波长尺度进行纳米结构化的光学部件，其中纳米结构(例如由介电或金属材料制成的纳米柱或其它颗粒)形成谐振或准谐振元件的光栅。
术语“相同图案”是指在暴露之前相同的图案，即包括相同布置的谐振介电元件的谐振介电元件图案，其中从一个图案到另一个图案，谐振介电元件具有相同的形状和相同的尺寸。
在其它示例性实施例中，通过使用根据本说明书的制造方法，还可以向不一定均匀的2D阵列施加局部折射率变化，例如以便校正初始相位分布。
除非另有说明，术语“亚波长”通常意指小于工作光谱带的最小长度的周期。
在本说明书中，术语“介电材料”是指折射率为实部占主导的材料，与其中折射率为虚部占主导的金属相反。因此，除了光子能量大于带隙宽度之外，半导体是低损耗介电材料。
在本说明书中，术语“光敏介电材料”是指折射率可通过暴露于至少一个写入电磁波而变化的介电材料。光敏光谱带包括使折射率可变的所有波长。
根据一个或多个示例性实施例，在所述光敏光谱带中，折射率可以按高达2％、有利地为3％的值变化。
根据一个或多个示例性实施例，所述2D阵列的获得包括在基底上沉积所述至少一种光敏介电材料，以及在所述至少一种光敏介电材料中形成所述纳米结构。
根据一个或多个示例性实施例，所述2D阵列的获得包括在基底上沉积介电材料的层或叠层，该介电材料沉积在所述基底上，所述层或所述叠层包括所述至少一种光敏介电材料。
根据一个或多个示例性实施例，所述2D阵列的获得包括例如通过掩模在基底上选择性地沉积光敏介电材料，以便形成谐振介电元件。
根据一个或多个示例性实施例，所述叠层包括由所述至少一种光敏介电材料形成的至少一个层以及一个或多个附加层，该附加层例如为在所述基底和由所述至少一种光敏介电材料形成的所述至少一个层之间的抗反射层和/或连接层。根据一个或多个示例性实施例，所述叠层包括由第二光敏介电材料形成的至少一个第二层。
根据一个或多个示例性实施例，所述2D阵列的获得包括在基底上沉积所述至少一种光敏介电材料。
根据一个或多个示例性实施例，所述基底包括在所述工作光谱带中透明的材料。因此，例如，所述基底可以包括以下材料中的至少一种：二氧化硅、玻璃、硫系玻璃、ZnSe(硒化锌)、聚合物。
就本说明书而言，如果对于光谱带中的每个波长，所述波长的波的至少50％、优选至少80％、更优选至少90％被透射，则材料被称为在所述光谱带中是透明的。
根据一个或多个示例性实施例，所述2D阵列的获得包括在包括所述至少一种光敏介电材料的基底中直接形成所述纳米结构。
根据一个或多个示例性实施例，所述基底包括一个或多个附加层，例如抗反射层。
根据一个或多个示例性实施例，所述工作光谱带位于所述至少一种光敏介电材料的透明光谱带中，也就是说，所述光谱带包括比与所述带隙(或光学间隙)的能量相对应的波长更长的波长。
实践中，所述工作光谱带位于所述谐振介电元件的谐振光谱带周围，但不限于所述谐振光谱带。
根据一个或多个示例性实施例，所述工作光谱带的宽度在1nm和20nm之间，或在1nm和100nm之间。根据所使用的材料和谐振介电元件，所述工作光谱带可以位于可见光谱带、近红外或中红外区，例如在400nm和15μm之间。
根据一个或多个示例性实施例，所述光敏光谱带位于所述至少一种光敏介电材料的线性吸收光谱带中，即，比与所述带隙能量相对应的波长短的波长。这被称为线性光敏性。
在具有线性光敏性的介电材料中，所述折射率的变化取决于所述材料吸收的能量。因此，可以使用用于发射所述写入电磁波的任何光源，当功率增加N倍，可以使2D阵列的暴露时间减少，即，使持续时间减小至1/N。例如，所述发射源包括发光二极管、激光二极管、连续或脉冲激光器、氙灯。
根据一个或多个示例性实施例，所述线性光敏光谱带位于300nm和1000nm之间。
具有线性光敏性的介电材料的示例包括例如硫系玻璃(例如，Ge25As30S45、Ge33As12Se55、As2S3等)，但不限于硫系玻璃。还可以提及氧化物玻璃，例如在J.Lumeau等人的文章(参考文献3)中描述的光热折射材料，例如
Figure BDA0003305951510000051
或光敏聚合物材料，例如G.J.Steckman等人的文章(“Characterization of phenanthrenequinone-doped poly(methyl methacrylate)for holographic memory,”Opt.Lett.23(16),1310–1312(1998))中描述的PQ:PMMA。
根据一个或多个示例性实施例，所述光敏光谱带位于所述至少一种光敏介电材料的非线性吸收(例如双光子或多光子吸收)的光谱带中。这被称为非线性光敏性。
在非线性吸收机制中，使用高功率密度(通常借助于脉冲激光获得)，所述折射率的变化取决于局部暴露强度(非线性效应)以及由材料吸收的能量(光敏效应)。
例如，在非线性光敏性的情况下，用于发射所述写入波的光源是发射脉冲的脉冲源，每个脉冲具有足够能量来触发多光子吸收现象。脉冲的脉冲持续时间例如小于100ns，有利地小于10ns，脉冲的发光强度大于几个MW/cm2，有利地大于100MW/cm2。
根据一个或多个示例性实施例，所述非线性光敏光谱带位于300nm和2μm之间。
根据一个或多个示例性实施例，将所述2D阵列暴露于写入波包括投射通过给定振幅的掩模(例如与光刻中使用的掩模类似的掩模，例如铬掩模)。
根据一个或多个示例性实施例，将所述2D阵列暴露于写入波包括例如通过使用聚焦激光器的扫描逐点照射所述阵列。
根据一个或多个示例性实施例，将所述2D阵列暴露于写入波包括使用液晶阵列或微镜型的空间光调制器。
根据一个或多个示例性实施例，预期相位分布是多级相位分布，例如二元相位分布、具有4级、8级或更一般而言2N级的相位分布，其中N是大于或等于1的整数。
根据一个或多个示例性实施例，所述预期相位分布被配置为在所述工作光谱带中生成以下光学功能中的至少一个：会聚或发散透镜、光束转换器、分束器、投影图像(例如十字线、网格、或更一般而言形成图像的任何强度分布，例如在远场中形成)。
根据一个或多个示例性实施例，所述谐振介电元件由块形成，例如具有矩形或正方形横截面的平行六面体块，或例如具有圆形或椭圆形横截面的圆柱形块。
根据一个或多个示例性实施例，所述谐振介电元件的至少一个维度是亚波长。
根据一个或多个示例性实施例，所述光学超表面被配置为在反射中操作。
根据一个或多个示例性实施例，所述光学超表面被配置为在透射中操作。
根据一个或多个示例性实施例，所述方法还包括实时监测所述2D阵列的至少一个区域在所述暴露期间经历的局部折射率变化的步骤。该步骤使得可以在所述超表面的制造期间省去校准步骤。
例如，所述监测包括用至少一个波长位于所述工作光谱带中的的电磁波照射2D阵列的至少一个区域并观察所得到的光学功能。
根据一个或多个示例性实施例，由此获得的所述光学超表面可以针对新应用进行重新配置。
根据第二方面，本说明书涉及一种被配置为在给定的工作光谱带中生成给定的相位分布的光学超表面，所述超表面利用根据所述第一方面的方法中的任何一个示例性实施例的制造方法获得。
更一般而言，本说明书涉及一种被配置为在给定的工作光谱带中生成给定的相位分布的光学超表面，所述超表面包括：
-基底；
-形成谐振介电元件的纳米结构的2D阵列，所述纳米结构在沉积在所述基底上的至少一种光敏介电材料中形成；并且其中：
-所述纳米结构以沿两个方向周期性重复的相同图案的形式布置，其中沿每个方向具有亚波长周期，每个图案相对于参考折射率具有给定的折射率变化，使得所述2D阵列中的每个图案在波长位于工作光谱带中的入射电磁波上产生与所述折射率变化相对应的相位变化。
根据一个或多个示例性实施例，所述纳米结构由平行六面体块或圆柱形块形成。
术语“相同图案”是指包括相同的纳米结构布置的纳米结构图案，其中从一个图案到另一个图案，纳米结构具有相同的形状和相同的尺寸。
根据第三方面，本说明书涉及一种用于制造光学超表面的系统，用于执行根据所述第一方面的方法，所述系统包括：
-能够接收所述图案的2D阵列的支撑件，每个图案包括一个或多个纳米结构；
-电磁波的发射源，该电磁波的至少一个波长位于所述至少一种光敏介电材料的所述光敏光谱带中；
-写入设备，该写入设备放置在所述发射源和所述支撑件之间，并且被配置为调制所述电磁波的振幅和/或相位，以便形成在所述2D阵列的平面中具有空间能量分布的所述写入波，所述空间能量分布是所述预期相位分布的函数。
根据一个或多个示例性实施例，所述写入设备包括空间电磁波调制器以及所述空间电磁波调制器的控制器。例如，所述空间电磁波调制器包括液晶阵列或微镜阵列。
根据一个或多个示例性实施例，所述写入设备包括用于沿两个方向扫描写入光束的设备，以便逐点照射2D阵列。
根据一个或多个示范性实施例，所述写入设备包括振幅掩模。
根据一个或多个示例性实施例，所述用于制造光学超表面的系统还包括光学成像系统，该光学成像系统被配置为实时监测所述用于制造光学超表面的方法。
根据一个或多个示例性实施例，所述光学成像系统被配置为测量在所述超表面上预先定义的校准区域上引起的相位变化。
附图说明
通过阅读说明书，本发明的其它优点和特征将变得显而易见，本说明书通过以下附图进行说明：
图1表示示出了根据本说明书的用于制造光学超表面的方法的示例的图；
图2表示示出了根据本说明书的光学超表面的示例的图；
图3表示示出了根据本说明书的用于制造光学超表面的系统的示例的图；
图4A表示示出了针对根据本说明书的一个示例的超表面2D阵列在法向入射时计算出的透射系数的曲线；
图4B表示示出了针对根据本说明书的一个示例的超表面2D阵列以及谐振介电元件的不同高度在法向入射时计算处的透射系数的曲线；
图4C表示在一方面示出了透射系数并在另一方面示出了相变变化的曲线，其中透射系数和相变变化针对根据本说明书的一个示例的超表面2D阵列以及不同的暴露时间在法向入射时计算出；
图5A是示出了相位分布的第一示例(二元)以及远场中的相应空间强度分布的图像；
图5B表示示出了相位分布的第二示例(具有4级)以及远场中的相应空间强度分布的图像。
具体实施方式
在下面的详细描述中，为了确保解释得清楚，仅详细描述了一些示例性实施例，然而这些示例不旨在限制本说明书所示原理的一般范围。
图1表示示出了根据本说明书的用于制造光学超表面的方法100的示例的图，图2示出了根据本说明书的光学超表面200的示例。
图1所示的用于制造光学超表面的方法100的示例包括：获得纳米结构的2D阵列的步骤110，该纳米结构形成在给定的工作光谱带中谐振的介电元件；然后将以这种方式获得的2D阵列暴露120于写入波。
根据一个示例，步骤110包括在基底210(参见图2)上沉积112在给定的光敏光谱带中感光的介电材料层，所述光敏材料例如以薄膜的形式沉积。所述沉积可以通过物理方法(例如蒸发或溅射)或通过化学方法(例如PE-CVD(等离子体增强化学气相沉积))进行。在聚合物的情况下，也可以设想旋涂或浸涂的方法。
光敏介电材料在暴露于给定的电磁波(在本申请中称为写入波)时表现出折射率变化的特性。通常，寻求其折射率可以按给定的最小量变化的介电材料，该给定的最小量例如为折射率的标称值的2％至3％。为此目的，可以设想各种介电材料。这些介电材料可以是例如具有线性光敏性的无机材料(例如硫系玻璃，例如Ge33As12Se55(锗-砷-硒)、As2S3(三硫化二砷)等)或有机材料(例如掺杂菲醌的聚(甲基丙烯酸甲酯)(PQ:PMMA))。还可以使用暴露于超短脉冲(通常小于1ps)的材料的非线性光敏性。例如，可以提及二氧化硅(SiO2)，参见D.Homoelle等人的文章("Infrared photosensitivity in silica glasses exposedto femtosecond laser pulses,"Opt.Lett.24,1311-1313(1999)),氧化铌(Nb2O5)。
基底例如是有机材料(PMMA等)或无机材料(二氧化硅、硫族化物等)，其与沉积为沉积在表面上(附着性)的薄膜的材料兼容，或如果基底用作产生表面光栅的支撑件，其本身是光敏的。
光敏材料可单独使用或与其它薄膜材料组合使用。例如，可以提及连接层(铬、氧化镁(MgO)等)的使用以使基底和层兼容，以及多层结构在感光层之上或之下的使用以限制在界面处的反射造成的损耗(抗反射结构)和/或增加谐振现象和/或增加超表面的工作区间(消色差)。
然后，步骤110包括在介电材料层中形成114谐振介电元件的2D阵列。
在其他示例性实施例中，2D阵列的获得110可以包括通过掩模(例如树脂掩膜)在基底上沉积光敏介电材料，以便形成谐振介电元件。
根据另一个示例性实施例，谐振介电元件可以在由光敏介电材料制成的固体基底本身中直接形成。
在图2的示例中，谐振元件的2D阵列被标记为220。谐振介电元件222以沿两个相垂直的方向(x，y)周期性组织的图案的形式布置。在该示例中，每个图案包括单个谐振介电元件222。在该示例中，每个谐振介电元件具有块的形状，该块具有矩形横截面、边长a1、a2以及高度h。两个相邻的块沿每个方向分别间隔距离p1、p2，使得沿每个方向的周期等于p1＝a1+g1和p2＝a2+g2，其中p1、p2为亚波长的。
对于图2所示的谐振电介质元件222，当然可以是其它形状、组织和尺寸。具体而言，图2示出了平行六面体形状的元件222。然而，元件222可以具有其它形状，例如是具有圆形、椭圆形横截面的圆柱形块等。此外，在图2的示例中，介电元件222等同于图案。然而，可以在一个图案内具有多个不同形状和/或尺寸的谐振介电元件。在一些示例性实施例中，在所述谐振介电元件的数量、形状和尺寸方面相同的图案在阵列的两个方向上以给定的亚波长周期再现，周期例如是相同的，但不一定相同。
暴露步骤120使得可以在图案尺度引入折射率的局部变化，从而控制透射相位。
一般而言，2D阵列的设计(谐振元件的形状和尺寸、图案形式的组织、周期等)取决于工作波长(或光谱范围)以及预期相位变化。下面将参照图4A至图4C更详细地描述设计方法。
一种用于在介电材料层中形成谐振元件的2D阵列的已知方法包括例如电子束刻蚀的步骤，以便在树脂中形成预期纳米尺寸的图案，然后通过离子蚀刻将图案转移到介电材料层中。另一种方法包括通过纳米印刷生成谐振元件。更准确地说，用模具在大表面上复制基本图案。值得注意的是，不管要制造的光学超表面的预期相位分布如何，都可以使用相同的基本图案，因为局部相位变化将由光诱导的折射率变化分布控制。
一旦获得了谐振元件的2D阵列，将2D阵列暴露于写入波的步骤120使得可以产生用于生成期望的光学功能(例如，点阵列、十字线、涡旋、投影图像等)的预期相位分布。预期相位分布类似于通常为生成衍射光学元件或用数字方法生成的全息图而计算的相位分布，例如在Bernard Kress、Patrick Meyrueis的著作(“Applied digital optics”,Chapter 6“Digital Diffractive Optics:Numeric Type”,John Wiley&Sons,2009)中的示例所描述的。相位分布是多级分布，例如是二元或具有更多级数(通常为2N)的多级分布。
将参照图5描述相位分布和相应光学功能的示例。
2D阵列的暴露包括空间和/或时间的选择性暴露，以便获得折射率受光诱导的局部变化。
暴露持续时间例如可以是为了产生给定的相位变化而要进行光诱导的折射率变化的函数。因此，暴露持续时间将由计算出的光栅类型结构(相位变化/折射率变化关系)以及材料的光敏特性给出。在线性光敏性的情况下，暴露持续时间可以是暴露能量密度的函数，而在非线性光敏性的情况下，暴露持续时间可以是暴露能量密度以及暴露光束强度的函数，如在L.Siiman等人的文章("Nonlinear photosensitivity of photo-thermo-refractive glass by high intensity laser irradiation",Journal of Non-Crystalline Solids,354,4070–4074(2008))中对光热折射玻璃的情况所解释的。
例如，控制暴露剂量使得可以产生不同水平的折射率变化，这将使得可以在波长位于工作光谱带中的光波上生成相位变化的离散值。例如，可以通过空间光调制器来执行选择性暴露，这将在下面更详细地描述。
在以这种方式获得的光学超表面中，事后执行折射率变化的调制以在工作光谱带中形成期望的相位分布，这限制了在基本介电结构的生产中的误差。
此外，用于制造光学超表面的方法100可以可选地包括原位光学监测130，即监测折射率的局部变化，这使得可以实时控制光学超表面的制造过程，从而省略制造所需的校准步骤。
在这种情况下，以超表面的工作光谱带发射的激光在制造期间照射超表面。摄像头可以放置在超表面的下游，可选地与透镜组合，以便测量由超表面透射的在远场中的强度分布。当所获得的强度分布与理论计算的强度分布相同时，终止暴露。该终止标准可以被定义为定义了理论和实验响应之间的平均偏差的评价函数。另一种方法可以在于，借助于干涉仪或Shack-Hartmann类型的波前测量系统在超表面下游测量暴露区和非暴露区之间的相移。可以在光学超表面的给定区域中执行监测。
图3示意性地表示用于制造光学超表面的系统300的示例，该系统300被配置为执行根据本说明书的制造方法。
制造系统300包括被配置为接收谐振介电元件222的2D阵列220的支撑件340。如上所述，2D阵列被设计成在暴露于至少一个写入电磁波之后，根据预期的相位分布在波长位于工作光谱带中的入射电磁波上产生相位变化。
制造系统300还包括至少一个电磁波312的至少一个发射源310，该至少一个电磁波312具有在形成所述谐振介电元件的介电材料的光敏光谱带中的至少一个波长。
发射源包括例如激光二极管、激光器、发光二极管(可选地光纤化)，以及由透镜或反射镜组成的用于对光束进行整形的系统，以便产生具有合适尺寸和强度分布的暴露光束。
制造系统300还包括：写入设备320，其放置在发射源310和支撑件340之间并被配置为调制电磁波312的振幅和/或相位；以及可选地，控制器325，其被配置为控制写入设备320，以产生能量分布是2D阵列平面中的折射率分布的函数(因此也是预期相位分布的函数)的写入波314。
写入设备320可以包括空间光调制器(或SLM)，其被配置为在振幅上调制写入波，以便获得预期能量密度。在二元元件(0和π)的情况下，写入波的强度分布可以在给定的暴露时间期间是固定的。在写入具有多于2级的相位分布的情况下，可以在对应于相位级的每次暴露之后重新配置SLM。
写入设备320也可以包括微镜阵列，每个微镜被配置为在给定的暴露时间期间由控制器进行倾斜，以便形成预期的空间能量分布。
写入设备320也可以包括用于逐点扫描2D阵列的系统。在这种情况下，写入光束将聚焦在要写入的超表面上，其光斑直径适合于要写入的区域的尺寸，也就是说等于或小于最小区域。在此，该区域应理解为旨在产生均匀相位变化的区域，例如在二元相位分布的情况下为0或π。超表面将保持固定，然后将例如借助于电流计式反射镜在表面上扫描光斑，并且每个点的暴露持续时间将根据预期的相位变化进行调整。另一种选择可以在于保持写入光束固定并扫描样本。
写入设备320也可以包括类似于光刻中使用的铬掩模类型的固定振幅掩模。
在图3所示的示例中，制造系统300还包括中继光学系统330，该中继光学系统330包括例如一个或多个物镜或透镜，并被配置为将写入波投射到2D阵列上。例如，中继光学系统330包括给定放大率的光学系统。
控制器325被配置为根据用于写入波的强度分布来控制写入设备320。控制器包括例如用于执行指令的计算机。这些指令可存储在可由控制器读取的任何存储介质上。
在图3的示例中，制造系统还包括光学设备350，该光学设备350被配置为实时监测所述2D阵列中的所述图案在暴露期间经历的折射率变化。光学监测装置350包括例如照射源352，该照射源352被配置为发射波长位于工作光谱带中的监测波352。光学监测设备350还包括检测器356(例如二维检测器，例如CCD或CMOS摄像头)，在该检测器356上可以对正在制造的光学超表面形成的光学功能进行实时成像。
图4A至图4C表示示出为了制造根据本说明书的光学超表面而设计谐振介电元件的2D阵列的步骤的曲线。
设计2D阵列的第一步骤是选择用于形成谐振元件的一种或多种光敏介电材料。将有利地选择当用光谱带位于可见光、近红外和中红外波长范围内的光波照射时具有显著折射率变化(通常高达折射率的2％至3％)的光敏介电材料。
当光敏介电材料沉积在基底上时，还将根据基底与光敏材料的物理化学兼容性(可选地，其在工作光谱带中的透明度)来选择基底的材料。
如上所述，介电介质可以包括多种介电材料，包括光敏介电材料、可选地在空气/光敏介电材料界面处的抗反射处理和/或在基底/光敏介电材料界面处的连接层。
第二步骤包括选择用于形成谐振介电元件的纳米结构(形状、尺寸、组织)，以及对以这种方式形成的结构的透射和/或反射响应进行建模，以便确定谐振波长的区间。当然，建模将考虑形成介电介质的所有材料(尤其是基底和光敏介电材料，以及附加介电材料(抗反射、界面))的特性(折射率、层厚度)。建模可以用已知的商业软件进行，例如CSTMICROWAVE
Figure BDA0003305951510000141
COMSOL
Figure BDA0003305951510000142
ANSYS
Figure BDA0003305951510000143
纳米结构以沿着2D阵列的两个方向周期性排列的图案的形式进行组织。选择小于工作波长区间的最小波长的周期，以便在零阶的透射或反射中的操作并且避免在较高衍射级中的能量损失。
因此，图4A表示示出了针对矩形元件的2D阵列的透射系数随波长变化的曲线，该2D阵列例如如图2所示沉积在基底上。更确切而言，对于图4A的计算，在每个方向上以等于p＝700nm的周期周期性地组织尺寸为a＝600nm的立方体。光敏介电材料的折射率为n＝2.35，基底的折射率为nSub＝1.5。以法向入射照射2D阵列，并计算以法向入射传播的光的透射系数。
如图4A所示，透射曲线在零阶区中示出了编号为“1”和“2”的两个低谷，对应于元件的谐振位置。示出了第一谐振(1)主要是电偶极谐振，第二谐振(2)主要是磁偶极谐振。
图4A还示出了由结构的周期性性质引起的其它物理效应。对于波长λ<p·nSub(在该示例中为1050nm)，透射光分布在多个衍射级之间。因此，超表面将被设计成以比给定的波长(在该示例中为1050nm)更长的工作波长操作，以便仅有零阶被透射。
研究表明，通过改变基本图案的纵横比(高度h和横向尺寸a之间的比率)，可以相互抵消电偶极谐振和磁偶极谐振，并找到它们在光谱上重合的点。参见Gomez-Medina等人的文章(“Electric and magnetic dipolar response of germanium nanospheres:interference effects,scattering anisotropy,and optical forces”,Journal ofNanophotonics,5(1),053512(2011))。
然后，第三步骤在于针对具有给定形状的纳米结构确定电谐振和磁谐振光谱重合的高度h。
作为说明，图4B示出了针对边长等于a＝600nm且高度h在250nm和600nm之间可变的具有正方形横截面的纳米结构计算的0阶透射率。
如图4B中可见，随着纳米结构的高度h减小，电和磁偶极谐振以不同的速率向较短波长移动。在h＝330nm左右，这两个最小值叠加在图4B中标记为I的点周围。此外，点I对应于局部透射最大值。
第四步骤在于在先前确定的高度h周围，针对基本图案(在所选示例中，具有正方形横截面的平行六面体块)计算在材料未暴露的情况(n＝2.35)以及材料暴露的情况(n＝2.42)下作为波长的函数的零阶透射变化。
图4C示出了(上曲线)当2D阵列未暴露时(曲线420)和当2D阵列已经暴露于不同的能量密度时(分别为1J/cm2(曲线421)、4J/cm2(曲线422)和20J/cm2(曲线423))在零阶测量的透射系数T0
图4C进一步示出了(下曲线)对于相同的能量密度，在垂直入射时入射到基本图案上的光所经历的相位变化
Figure BDA0003305951510000161
更确切而言，曲线431、432、433示出了对于分别为1J/cm2(曲线431)、4J/cm2(曲线432)和20J/cm2(曲线433)的能量密度，入射波经历的相位变化
Figure BDA0003305951510000162
观察到相位变化
Figure BDA0003305951510000163
的最大值等于～4弧度。此外，该相位变化与可以保持在50％以上或接近初始透射的透射相关联。这种变化足以设计无损二元光学元件。
因此，例如，考虑示出了用4J/cm2的暴露获得的相位变化的曲线433，观察到在以约1185nm为中心并且宽度为约10nm的波长区间Δλu中，相位变化为π+/-15％，透射率保持在50％左右。因此，可以在该工作波长区间中产生二元相位分布。
这种方法可以推广到0和2π之间的任意相移，该相移值由材料的折射率控制。
图5A和5B示出了为了获得根据本说明书的光学超表面而要借助于光诱导的折射率变化在2D阵列中记录的相位分布的两个示例。示出了针对每个相位分布在远场中计算的空间强度分布。
因此，图5A示出了二元(0和π之间的相位变化)的第一相位分布511，使得可以产生十字线形状的远场图像512。
图5B示出了具有4个相位级别(0、π/2、π和3π/2)的第二相位分布513，使得可以产生具有5×5点的阵列形状的远场图像514。
尽管使用一定数量的示例性实施例进行了描述，但是鉴于不同的变型、修改和改进构成由以下权利要求限定的本发明范围的一部分，用于制造光学超表面的方法以及用于执行所述方法的设备包括这些不同的变型、修改和改进，这对于本领域技术人员来说将是显而易见的。

Claims (11)

1.一种用于制造光学超表面(200)的方法(100)，所述光学超表面(200)被配置为在给定的工作光谱带(△λu)中操作，所述方法包括以下步骤：
获得(110)图案的2D阵列(220)，每个图案包括一个或多个纳米结构，该一个或多个纳米结构形成在所述工作光谱带中谐振的介电元件(222)，所述纳米结构在至少一种光敏介电材料中形成，所述至少一种光敏介电材料的折射率能够通过暴露于波长位于光敏光谱带中的至少一个写入电磁波而变化；
将所述2D阵列暴露(120)于至少一个波长位于所述光敏光谱带中的写入电磁波(314)，所述写入波(314)在所述2D阵列的平面中具有作为预期相位分布的函数的空间能量分布，使得在所述暴露之后，所述2D阵列中的每个图案在波长位于工作光谱带中的入射电磁波上产生与所述图案在所述暴露期间经历的折射率变化相对应的相位变化。
2.根据权利要求1所述的用于制造光学超表面的方法，其中，所述2D阵列的获得包括在基底(210)上沉积(112)所述至少一种光敏介电材料，以及在所述至少一种光敏介电材料中形成(114)所述纳米结构。
3.根据权利要求1所述的用于制造光学超表面的方法，其中，所述2D阵列的获得包括在包括所述至少一种光敏介电材料的基底中形成所述纳米结构。
4.根据前述权利要求中任一项所述的用于制造光学超表面的方法，其中，所述相位分布是多级的。
5.根据前述权利要求中任一项所述的用于制造光学超表面的方法，还包括实时监测所述2D阵列的至少一个区域中的图案在所述暴露期间经历的折射率变化的步骤(130)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的用于制造光学超表面的方法，其中，所述图案是相同的并且沿两个方向周期性地布置，沿每个方向的周期是亚波长的。
7.一种光学超表面(200)，被配置为在给定的工作光谱带(△λu)中操作，所述超表面包括：
基底(210)，
形成谐振介电元件(222)的纳米结构的2D阵列(220)，所述纳米结构在沉积在所述基底(210)上的至少一种光敏介电材料中形成；并且其中，
所述纳米结构(222)以沿两个方向在所述基底上周期性重复的相同图案的形式布置，其中沿每个方向具有亚波长周期，每个图案相对于参考折射率具有给定的折射率变化，使得所述2D阵列中的每个图案在波长位于工作光谱带中的入射电磁波上产生与所述折射率变化相对应的相位变化。
8.根据权利要求7所述的光学超表面(200)，其中，所述纳米结构(222)由平行六面体块或圆柱形块形成。
9.一种用于制造光学超表面(200)的系统(300)，用于执行根据权利要求1至6中任一项所述的制造方法，所述系统包括：
能够接收所述2D阵列(220)的支撑件(340)；
电磁波(312)的发射源(310)，该电磁波(312)的至少一个波长位于所述至少一种光敏介电材料的所述光敏光谱带中；
写入设备(320)，该写入设备(320)放置在所述发射源(310)和所述支撑件(340)之间，并且被配置为调制所述电磁波(312)的振幅和/或相位，以便形成在所述2D阵列的平面中具有空间能量分布的所述写入波(314)，所述空间能量分布是所述预期相位分布的函数。
10.根据权利要求9所述的制造系统，其中，所述写入设备(320)包括空间电磁波调制器以及被配置为控制所述空间调制器的控制器(325)。
11.根据权利要求9或10所述的系统，还包括光学设备(350)，该光学设备(350)被配置为实时监测所述2D阵列(220)的至少一个区域中的所述图案在所述暴露期间所经历的折射率变化。
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