CN115421295A - 超透镜的设计方法、超透镜及加工工艺 - Google Patents

超透镜的设计方法、超透镜及加工工艺 Download PDF

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CN115421295A
CN115421295A CN202211116235.8A CN202211116235A CN115421295A CN 115421295 A CN115421295 A CN 115421295A CN 202211116235 A CN202211116235 A CN 202211116235A CN 115421295 A CN115421295 A CN 115421295A
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谭凤泽
郝成龙
朱瑞
朱健
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Shenzhen Metalenx Technology Co Ltd
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Abstract

本申请实施例提供了一种超透镜的设计方法、超透镜及加工工艺，属于超表面的技术领域。该方法包括：在超透镜表面具有纳米结构的一侧沉积材料层，使材料层覆盖以下表面中的任一或两者：纳米结构的至少部分表面；超透镜的基底靠近纳米结构一侧的表面；其中，纳米结构、纳米结构一侧的基底和材料层构成纳米结构单元；纳米结构单元至少满足：
Figure DDA0003845669960000011
Figure DDA0003845669960000012
为编号为i的纳米结构单元的相位；neff‑i为纳米结构单元的有效折射率；ω为入射光的角频率；n为材料层的折射率；h为纳米结构单元中材料层沿所述纳米结构的延伸方向的最下端到最上端的距离。该设计方法优化过程简化，加工工艺难度低，易于量产。

Description

超透镜的设计方法、超透镜及加工工艺
技术领域
本申请涉及超表面的技术领域，具体地，本申请涉及一种超透镜的设计方法、超透镜及加工工艺。
背景技术
增透膜是一种沉积在光学镜片表面的薄膜，其原理是使反射光干涉相消，从而达到减反/增透的效果。薄膜可以是单层膜也可以是多层膜，取决于基底材料和工作波段。
相关技术中超透镜的增透膜是在超透镜设计及加工完成之后将所需增透带宽的膜系结构沉积在超透镜上。
然而相比传统镜片，超透镜的表面具有用来调制入射光相位的纳米结构，采用相关技术设计的膜系在镀膜时会沉积到纳米结构上，还会填充到纳米结构之间的空气间隙中，从而改变超透镜的入射光相位，影响超透镜的光学性能。因此，亟需一种超透镜的设计方法、超透镜及加工工艺。
发明内容
鉴于现有技术中的超透镜增透膜影响超透镜光学性能的问题，本申请实施例提供了一种超透镜的设计方法、超透镜及加工工艺。
第一方面，本申请实施例提供了一种超透镜的设计方法，所述方法包括：
在超透镜表面具有纳米结构的一侧沉积材料层，使所述材料层覆盖以下表面中的任一或两者：
所述纳米结构的至少部分表面；以及，
超透镜的基底靠近所述纳米结构一侧的表面；
其中，所述纳米结构、所述纳米结构一侧的基底和所述材料层构成纳米结构单元；
所述纳米结构单元至少满足：
Figure BDA0003845669940000021
其中，i为所述超透镜中纳米结构单元的编号；
Figure BDA0003845669940000023
为编号为i的纳米结构单元的相位；neff-i为所述纳米结构单元的有效折射率；ω为入射光的角频率；n为所述材料层的折射率；h为所述纳米结构单元中材料层沿所述纳米结构的延伸方向的最下端到最上端的距离。
可选地，所述纳米结构单元还满足：
Figure BDA0003845669940000022
其中，N为所述超透镜中纳米结构的总数；nsubstrate为所述基底的折射率。
可选地，所述材料层覆盖所述纳米结构的至少部分表面包括：
所述材料层覆盖所述纳米结构远离所述超透镜的基底的端面的全部；或者，
所述材料层覆盖所述纳米结构侧壁的全部。
可选地，所述方法还包括：在所述沉积材料层之前确定所述材料层的折射率以及所述纳米结构单元中材料层沿所述纳米结构的延伸方向的最下端到最上端的距离。
可选地，所述材料层的折射率小于所述纳米结构的折射率。
可选地，所述材料层的折射率大于所述纳米结构的折射率。
可选地，所述确定所述材料层的折射率以及所述纳米结构单元中材料层沿所述纳米结构的延伸方向的最下端到最上端的距离包括：
S1，根据超透镜的相位分布选择纳米结构的初始参数；
S2，设定所述材料层的初始折射率，建立纳米结构单元的模型；
S3，设定所述纳米结构单元中材料层沿所述纳米结构的延伸方向的最下端到最上端的距离，使所述纳米结构单元的相位覆盖0到2π；
S4，根据所述超透镜的相位分布排列所述纳米结构，并计算所有纳米结构对应的超表面单元的有效折射率；所述超表面单元为所述纳米结构单元中不含基底的部分；
S5，基于所有超表面纳米结构单元的有效折射率计算所述超透镜的总有效折射率；
S6，计算所述超透镜的总有效折射率与所述基底的折射率的第一差值并计算所述超透镜透过率；
S7，判断第一差值是否小于目标值，且所述透过率是否大于目标透过率；
若是，则初始折射率和初始高度为沉积时材料层的折射率和高度；
若否，则重复步骤S2至步骤S7，使第一差值小于目标值，且所述透过率大于或等于目标透过率。
可选地，所述确定所述材料层的折射率还包括：
步骤S8，若重复步骤S2至步骤S7得到的第一差值不小于目标值，或透过率始终小于目标透过率，则重复步骤S1至步骤S7。
可选地，所述材料层覆盖纳米结构以及基底与空气相邻的所有表面。
可选地，所述材料层覆盖纳米结构远离基底的端面。
可选地，所述材料层覆盖基底与空气相邻的表面。
可选地，所述材料层覆盖纳米结构的侧壁以及基底与空气相邻的表面。
可选地，所述材料层覆盖纳米结构的全部表面。
第二方面，本申请实施例还提供了一种超透镜，采用上述任一实施例提供的方法设计，所述超透镜包括：
基底，被配置为能够透过工作波段的辐射；
纳米结构，位于所述基底的一侧，被配置为能够透过工作波段的辐射；
材料层，被配置为覆盖以下表面中的任一或两者：
所述纳米结构的至少部分表面；以及，
超透镜的基底靠近所述纳米结构一侧的表面；
其中，所述纳米结构、所述纳米结构一侧的基底和所述材料层构成纳米结构单元；
所述纳米结构单元至少满足：
Figure BDA0003845669940000041
其中，i为所述超透镜中纳米结构单元的编号；
Figure BDA0003845669940000043
为编号为i的纳米结构单元的相位；neff-i为所述纳米结构单元的有效折射率；ω为入射光的角频率；n为所述材料层的折射率；h为所述纳米结构单元中材料层沿所述纳米结构的延伸方向的最下端到最上端的距离。
可选地，所述纳米结构单元还满足：
Figure BDA0003845669940000042
其中，N为所述超透镜中纳米结构的总数；nsubstrate为所述基底的折射率。
可选地，所述纳米结构的高度为0.3λc至2λc；其中，λc为工作波段的中心波长。
可选地，所述的高度大于或等于0.3λc，并且小于或等于5λc；其中，λc为工作波段的中心波长。
可选地，所述纳米结构以可密堆积图形的样式阵列排布；其中，纳米结构被设置于可密堆积图形的中心和/或顶点位置。
可选地，所述纳米结构的深宽比小于或等于20。
可选地，所述材料层为单层结构。
可选地，所述材料层为多层结构。
第三方面，本申请实施例还提供了一种超透镜加工工艺，适用于采用上述任一实施例提供的方法设计的超透镜或如上述任一实施例提供的超透镜，所述工艺包括：
在基底生长纳米结构材料；
涂胶，在所述纳米结构材料远离基底的一侧涂覆光刻胶；
光刻显影，在所述光刻胶上曝光形成参考结构；
刻蚀去胶，基于所述参考结构刻蚀纳米结构材料以获得纳米结构，并去除光刻胶；
沉积材料层，在以下表面中的任一或两者上沉积材料层：
所述纳米结构的至少部分表面；以及，
超透镜的基底靠近所述纳米结构一侧的表面；
以使所述纳米结构、所述纳米结构一侧的基底和所述材料层构成纳米结构单元；并且
所述纳米结构单元至少满足：
Figure BDA0003845669940000051
其中，i为所述超透镜中纳米结构单元的编号；
Figure BDA0003845669940000053
为编号为i的纳米结构单元的相位；neff-i为所述纳米结构单元的有效折射率；ω为入射光的角频率；n为所述材料层的折射率；h为所述纳米结构单元中材料层沿所述纳米结构的延伸方向的最下端到最上端的距离。
可选地，所述材料层还满足：
Figure BDA0003845669940000052
其中，N为所述超透镜中纳米结构的总数；nsubstrate为所述基底的折射率。
可选地，所述沉积材料层包括：
将材料层沉积在所述纳米结构远离所述超透镜的基底的端面的全部；或者，所述纳米结构侧壁的全部。
可选地，所述材料层覆盖纳米结构以及基底与空气相邻的所有表面。
可选地，所述材料层覆盖纳米结构远离基底的端面。
可选地，所述材料层覆盖基底与空气相邻的表面。
可选地，所述材料层覆盖纳米结构的侧壁以及基底与空气相邻的表面。
可选地，所述材料层覆盖纳米结构的全部表面。
本申请实施例提供的技术方案至少取得了以下有益效果：
本申请实施例提供的超透镜设计方法，通过在超透镜表面具有纳米结构的一侧沉积材料层，使材料层覆盖以下表面中的任一或两者：所述纳米结构的至少部分表面；以及，超透镜的基底靠近所述纳米结构一侧的表面；通过公式
Figure BDA0003845669940000061
联合设计纳米结构的相位和材料层的折射率以及材料层的高度。这种设计方法，在超透镜设计阶段之前引入材料层的折射率对纳米结构单元相位的影响，避免了材料层的高度和折射率对纳米结构的相位的影响，也避免了直接在设计好的超透镜上沉积增透材料导致超透镜相位被破坏。
附图说明
所包括的附图用于提供本申请的进一步理解，并且被并入本说明书中构成本说明书的一部分。附图示出了本申请的实施方式，连同下面的描述一起用于说明本申请的原理。
图1示出了本申请实施例提供的纳米结构单元的一种可选的结构示意图；
图2示出了本申请实施例提供的超透镜的一种可选的局部示意图；
图3示出了本申请实施例提供的超透镜的一种可选的局部示意图；
图4示出了本申请实施例提供的超透镜的一种可选的局部示意图；
图5示出了本申请实施例提供的超透镜的一种可选的局部示意图；
图6示出了本申请实施例提供的超透镜的一种可选的局部示意图；
图7示出了本申请实施例提供的材料层的一种可选的优化流程图；
图8示出了本申请实施例提供的超透镜的加工工艺一种可选的示意图；
图9示出了图3所示的超透镜中材料层的加工工艺的一种可选的示意图；
图10示出了图4所示的超透镜中材料层的加工工艺的又一种可选的示意图；
图11示出了图5所示的超透镜中材料层的加工工艺的又一种可选的示意图；
图12示出了图6所示的超透镜中材料层的加工工艺的又一种可选的示意图；
图13示出了本申请实施例提供的纳米结构单元的一种可选的相位与透过率关系示意图；
图14示出了本申请实施例提供的纳米结构单元的又一种可选的相位与透过率关系示意图。
具体实施方式
现将在下文中参照附图更全面地描述本申请，在附图中示出了各实施方式。然而，本申请可以以许多不同的方式实施，并且不应被解释为限于本文阐述的实施方式。相反，这些实施方式被提供使得本申请将是详尽的和完整的，并且将向本领域技术人员全面传达本申请的范围。通篇相同的附图标记表示相同的部件。再者，在附图中，为了清楚地说明，部件的厚度、比率和尺寸被放大。
本文使用的术语仅用于描述具体实施方式的目的，而非旨在成为限制。除非上下文清楚地另有所指，否则如本文使用的“一”、“一个”、“该”和“至少之一”并非表示对数量的限制，而是旨在包括单数和复数二者。例如，除非上下文清楚地另有所指，否则“一个部件”的含义与“至少一个部件”相同。“至少之一”不应被解释为限制于数量“一”。“或”意指“和/或”。术语“和/或”包括相关联的列出项中的一个或更多个的任何和全部组合。
除非另有限定，否则本文使用的所有术语，包括技术术语和科学术语，具有与本领域技术人员所通常理解的含义相同的含义。如共同使用的词典中限定的术语应被解释为具有与相关的技术上下文中的含义相同的含义，并且除非在说明书中明确限定，否则不在理想化的或者过于正式的意义上将这些术语解释为具有正式的含义。
“包括”或“包含”的含义指明了性质、数量、步骤、操作、部件、部件或它们的组合，但是并未排除其他的性质、数量、步骤、操作、部件、部件或它们的组合。
本文参照作为理想化的实施方式的截面图描述了实施方式。从而，预见到作为例如制造技术和/或公差的结果的、相对于图示的形状变化。因此，本文描述的实施方式不应被解释为限于如本文示出的区域的具体形状，而是应包括因例如制造导致的形状的偏差。例如，被示出或描述为平坦的区域可以典型地具有粗糙和/或非线性特征。而且，所示出的锐角可以被倒圆。因此，图中所示的区域在本质上是示意性的，并且它们的形状并非旨在示出区域的精确形状并且并非旨在限制权利要求的范围。
在下文中，将参照附图描述根据本申请的示例性实施方式。
现有的增加超表面透过率的方法均是针对特定带宽的光谱设计对应的增透膜系，通过增透膜系利用光的干涉减少反射光增加透射光。现有技术中的超透镜在设计加工完成之后，纳米结构的结构参数固定，从而入射光相位也固定。现有技术在设计完成的超透镜表面进行增透膜生长时，增透膜材料落入纳米结构之间的间隙，破坏了超透镜原有的相位，因此导致超透镜的光学性能下降。并且，采用传统光学工艺在具有纳米结构的表面直接沉积增透膜，所得到的增透膜厚度分布不均匀，也会降低超透镜的光学性能。
对此，现有技术中还存在一种做法是用工作波段高透过率的材料填充纳米结构之间的间隙，使超透镜与空气相邻的一面也形成平整的界面，使增透膜能够生长在该平整界面上。相当于加工一个新的有填充的超透镜，然后基于新的超透镜重新设计膜系结构，采用传统光学中膜系生长的方法将增透膜生长在新的超透镜上。这种方式能够实现恒相益光，即在不改变新的超透镜的相位的情况下增加入射光的透过率。但是，这种设计方法需要重新设计超透镜的相位，再在新超透镜的基础上设计增透膜，因此设计过程复杂。并且，该方法需要填充原有超透镜后引入传统光学的工艺，加工工艺复杂，导致生产成本高。例如，该方法在填充时由于纳米结构之间的间隙尺寸在微米级甚至纳米级，填充材料并不能完全填充所有间隙，会存在影响光学性能的孔隙，降低良品率。
有鉴于此，本申请实施例提供了一种超透镜的设计方法，如图1至图6所示，该方法在超透镜中引入起增透作用的材料层，在超透镜加工之前将材料层的折射率以及纳米结构单元中材料层沿纳米结构的延伸方向的最下端到最上端的距离与超透镜的相位进行联合优化。
具体而言，在超透镜表面具有纳米结构的一侧沉积材料层，使材料层覆盖以下表面中的任一或两者：纳米结构的至少部分表面；以及，超透镜的基底靠近纳米结构一侧的表面。纳米结构、纳米结构一侧的基底和材料层构成纳米结构单元。也就是说，任一纳米结构、以该纳米结构为中心的基底以及覆盖该纳米结构至少部分表面和/或以该纳米结构为中心的基底部分表面的材料层，构成一个纳米结构单元。可以理解的是，如图1至图6所示，任一纳米结构单元中纳米结构下方的基底的尺寸满足：基底外接圆直径等于纳米结构的排列周期。
更具体地，纳米结构单元至少满足：
Figure BDA0003845669940000091
其中，i为超透镜中纳米结构单元的编号；
Figure BDA0003845669940000092
为编号为i的纳米结构单元的相位；neff-i为纳米结构单元的有效折射率；ω为入射光的角频率；n为材料层的折射率；h为纳米结构单元中材料层沿纳米结构的延伸方向的最下端到最上端的距离。图1示出了多个可选的纳米结构单元的结构示意图。可以理解的是，本申请实施例提供的材料层的高度与沉积速率和沉积时间直接相关。需要注意的是，该公式(1)将每一个纳米结构单元的相位与其中包含的材料层联合设计，使材料层不破坏纳米结构单元的相位。
进一步地，材料层还满足公式(2)：
Figure BDA0003845669940000093
其中，N为超透镜中纳米结构的总数；nsubtrate为基底的折射率。
根据本申请的实施方式，如图2所示，采用半导体方法，将材料层沉积在超透镜具有纳米结构的一侧。如图2中左图所示，材料层覆盖了纳米结构和基底的全部表面。图2中的右图示出了，该超透镜中的一个纳米结构单元的示例图。由于采用半导体工艺，图2中的材料层的厚度分布均匀。
可选地，纳米结构和材料层均采用工作波段透明的材料。例如，氧化铝、氧化硅、氧化镁、氧化锰、氮化硅、氟化镁或氧化铪等低折射率的材料中的任一。又例如，硅、锗、磷化镓、砷化镓、锑化镓、磷化铟、铟化砷、铟化锑、氧化钛、氮化硅或锗锑碲等高折射率的材料中的任一。在一些可选的实施方式中，材料层的折射率小于纳米结构的折射率。此种方式主要利用纳米结构进行相位调制。在另一些可选的实施例中，材料层的折射率大于纳米结构的折射率。此种方式是主要利用材料层进行相位调制，纳米结构不起主要作用。上述两种对材料层与纳米结构进行折射率匹配的方式原理不同，对应的纳米结构、及纳米结构单元完全不同。当材料层的折射率高于纳米结构层时，超透镜对入射光的利用率更高，且纳米结构的设计和加工难度更低。根据本申请的实施方式，如图3所示，将材料层沉积在超透镜具有纳米结构的一侧，使材料层覆盖纳米结构的顶部，以及填充在基底与空气相邻的表面。图3中的左图示出了，该超透镜的局部结构示意图。图3中的右图示出了该超透镜中的一个纳米结构单元的示意图。图3中，纳米结构单元中沿纳米结构的延伸方向，材料层的最下端到最上端的距离相当于基底表面到纳米结构顶部所覆盖的材料层的上表面的距离。
根据本申请的实施方式，如图4所示，材料层覆盖纳米结构的侧壁和纳米结构间隙之间的基底表面。如图4中左图所示，材料层覆盖了纳米结构的部分表面和基底与空气相邻的所有表面。图4中右图示出了该超透镜的一个任选的纳米结构单元的示意图。图4中，纳米结构单元中材料层沿纳米结构的延伸方向的最下端到最上端的距离相当于基底表面到纳米结构侧壁所覆盖的材料层的上表面的距离。优选地，图4中，纳米结构单元中材料沿纳米结构的延伸方向的最下端到最上端的距离相当于基底表面到纳米结构顶端的距离。
根据本申请的实施方式，如图5所示，材料层仅覆盖纳米结构的表面，而基底的表面与空气之间相邻。图5中的左图示出了该超透镜的局部结构示意图；图5中的右图示出了该超透镜中任一纳米结构单元的示意图。图5中，纳米结构单元中材料层沿纳米结构的延伸方向的最下端到最上端的距离相当于基底表面到纳米结构顶部所覆盖的材料层的上表面的距离。
根据本申请的实施方式，如图6所示，材料层仅覆盖纳米结构的顶端表面。图6中的左图示出了该超透镜的局部结构示意图；图6中的右图示出了该超透镜中任一纳米结构单元的示意图。图6中，纳米结构单元中材料层沿纳米结构的延伸方向的最下端到最上端的距离相当于材料层的厚度。
上述实施例仅是材料层覆盖模式的部分可选的示例，本申请实施例提供的超透镜设计方法还可以由多种可选的覆盖形式，例如材料层仅覆盖纳米结构的侧壁。材料层覆盖纳米结构的侧壁可以由半导体工艺中的侧壁沉积法实现。上述实施例提供的材料层覆盖模式中，在纳米结构的顶层、侧壁和纳米结构间隙(即超透镜入射光一侧全部与空气相邻的表面)中引入材料层工艺更加简单。
在沉积材料层之前，如图7所示，可选地根据下述步骤确定材料层的折射率与高度：
S1，根据超透镜的相位分布选择纳米结构的初始参数；
S2，设定材料层的初始折射率，建立包含上述纳米结构的纳米结构单元的模型；
S3，设定所述纳米结构沿纳米结构的延伸方向的最下端到最上端的初始距离，使纳米结构单元的相位覆盖0到2π；
S3，根据超透镜的相位分布排列纳米结构，并计算所有纳米结构对应的纳米结构单元的有效折射率；
S5，基于所有超表面单元的有效折射率计算超透镜的总有效折射率；超表面单元是指纳米结构单元中不含基底的部分，即纳米结构中的纳米结构与材料层；
S6，计算超透镜的总有效折射率与基底的折射率的第一差值ε并计算所述超透镜透过率T；
S7，判断第一差值是否小于目标值ε0，且所述透过率是否大于目标透过率T0；
若是，则初始折射率和初始高度为沉积时材料层的折射率n和高度h；
若否，则重复步骤S2至步骤S7，直至第一差值小于目标值，且透过率大于或等于目标透过率。其中，目标值和目标透过率由超透镜的设计要求决定。
可选地，若重复步骤S2至步骤S7仍不能获得满足设计要求(第一差值小于目标值，且透过率大于或等于目标透过率)，本申请实施例提供的超透镜设计方法还包括：
步骤S8，重复步骤S1至步骤S7，直至获得满足设计要求的材料层折射率以及材料层沿所述纳米结构的延伸方向的最下端到最上端的距离。
需要说明的是，纳米结构的初始参数包括纳米结构的种类、折射率、高度和排列周期。纳米结构可以是偏振敏感结构，此类结构对入射光施加一个几何相位。例如，椭圆柱形、中空椭圆柱形、椭圆孔形、中空椭圆孔形、长方柱形、长方孔形、中空长方柱形和中空长方孔等结构。纳米结构可以是偏振不敏感结构，此类结构对入射光施加一个传播相位。例如，圆柱形、中空圆柱形、圆孔形、中空圆孔形、正方柱形、正方孔形、中空正方柱形和中空正方孔等结构。
可以理解的是，纳米结构在基底的表面阵列排布。可选地，纳米结构以密堆积图形的样式排列，纳米结构可以设置在密堆积图形的中心和/或顶点位置。例如，纳米结构以正六边形的样式阵列排布。再例如，纳米结构以环扇形的形式阵列排布。又例如，纳米结构以正四边形的形式阵列排布。纳米结构单元的尺寸由纳米结构的周期决定，例如，纳米结构单元中基底的外接圆的直径等于纳米结构的排列周期。
可选地，纳米结构的排列周期大于或等于0.3λc，并且小于或等于2λc；其中，λc为工作波段的中心波长；当工作波段为多波段时，λc为最短波长工作波段的中心波长。可选地，纳米结构的高度大于或等于0.3λc，并且小于或等于5λc；其中，λc为工作波段的中心波长；当工作波段为多波段时，λc为最短波长工作波段的中心波长。可选地，超透镜上不同位置的纳米结构的排列周期相同。可选地，纳米结构的深宽比小于或等于20，以使超透镜的光能利用率大于或等于75％。
可选地，超透镜上不同位置的纳米结构的排列周期至少部分相同。例如，纳米结构的排列可以是靠近基底中心区域较为密集，靠近基底边缘较为稀疏。
对于本申请实施例提供的超透镜的可选的工作波段(波长450nm至1550nm)，例如近红外波段和可见光波段，纳米结构为对应的亚波长结构。因此，可选地，对于近红外波段，纳米结构的排列周期小于或等于1500nm；可选地，对于蓝光可见光波段，纳米结构的排列周期小于或等于450nm。需要注意的是，若纳米结构的排列周期太小，例如小于或等于波长的二分之一，会引起相邻的纳米结构之间耦合产生谐振，从而导致超透镜的透过率下降。
根据本申请的实施方式，纳米结构是全介质结构单元。纳米结构的材质为在该超透镜工作波段高透过率的材料。可选地，纳米结构的材质对工作波段的辐射的消光系数小于0.01。示例性地，纳米结构的材质包括熔融石英、石英玻璃、冕牌玻璃、火石玻璃、蓝宝石、晶体硅、非晶硅、氢化非晶硅等材料中的一种或多种。示例性地，纳米结构的材料包括氮化硅、氧化钛、氮化镓、磷化镓、氢化非晶硅、非晶硅和晶体硅中的一种或多种。
在一种可选的实施方式中，基底的材质与纳米结构的材质相同。在又一种可选的实施方式中，基底的材质与纳米结构的材质不同。基底的材质为本申请实施例提供的超透镜工作波段高透过率的材料。可选地，基底对工作波段的辐射的消光系数小于0.01。示例性地，基底的材料可以是熔融石英、石英玻璃、冕牌玻璃、火石玻璃、蓝宝石、晶体硅、非晶硅、氢化非晶硅等材料中的一种或多种。示例性地，基底的材料包括氮化硅、氧化钛、氮化镓、磷化镓、氢化非晶硅、非晶硅和晶体硅中的一种或多种。可选地，基底的厚度大于或等于0.1毫米且小于或等于2毫米。例如，基底的厚度可以为0.1mm、0.5mm、1mm、1.5mm、2mm等等。根据本申请的实施方式，材料层的材质包括氮化硅、氧化钛、氮化镓、磷化镓、氢化非晶硅、非晶硅和晶体硅中的一种或多种。
第二方面，本申请实施例还提供了一种超透镜，该超透镜采用上述任一实施例提供的设计方法设计。该超透镜包括：
基底，被配置为能够透过工作波段的辐射；
纳米结构，位于基底的一侧，被配置为能够透过工作波段的辐射；
材料层，被配置为覆盖以下表面中的任一或两者：纳米结构的至少部分表面；以及，超透镜的基底朝向所述纳米结构一侧的表面。
其中，纳米结构、纳米结构一侧的基底和材料层构成纳米结构单元；所述纳米结构单元至少满足：
Figure BDA0003845669940000141
其中，i为超透镜中纳米结构单元的编号；
Figure BDA0003845669940000142
为编号为i的纳米结构单元的相位；neff-i为纳米结构单元的有效折射率；ω为入射光的角频率；n为材料层的折射率；h为纳米结构单元中材料层沿纳米结构的延伸方向的最下端到最上端的距离。
根据本申请的实施方式，该超透镜中纳米结构的种类、排列方式与结构参数参照上述任一实施方式提供的设计方法。根据本申请实施例提供的超透镜中，材料层的结构与入射辐射的频率成分相关。材料层可以是单层结构，也可以是多层结构。一般地，材料层的层数与设计所需的增透带宽正相关。
第三方面，本申请实施例还提供了一种超透镜的加工工艺，适用于上述任一实施例提供的方法设计的超透镜或上述任一实施例提供的超透镜，如图8所示，该工艺包括：
在基底生长纳米结构材料，即生长用于形成纳米结构的材料；
涂胶，在纳米结构材料远离基底的一侧涂覆光刻胶；
光刻显影，在光刻胶上曝光形成参考结构；
刻蚀去胶，基于参考结构刻蚀纳米结构材料以获得纳米结构，并去除光刻胶；
沉积材料层，在以下表面中的任一或两者上沉积材料层：纳米结构的至少部分表面；以及，超透镜的基底朝向纳米结构一侧的表面；以使纳米结构、位于纳米结构一侧的基底和材料层构成纳米结构单元；并且纳米结构单元至少满足公式(1)：
Figure BDA0003845669940000151
其中，i为超透镜中纳米结构单元的编号；
Figure BDA0003845669940000152
为编号为i的纳米结构单元的相位；neff-i为纳米结构单元的有效折射率；ω为入射光的角频率；n为材料层的折射率；h为纳米结构单元中材料层沿纳米结构的延伸方向的最下端到最上端的距离。
图8示例性示出了图2所示的超透镜的加工工艺。图9示出了图3中所示的材料层的沉积工艺。如图9中的(a)所示，按如图8所示的工艺沉积材料层获得如图2所示的超透镜，然后在材料层朝向空气的一侧喷涂光刻胶，使光刻胶覆盖材料层朝向空气的全部表面，之后，通过刻蚀(例如电子束刻蚀)去除纳米结构侧壁上的材料层，最后去除残留的光刻胶得到如图3所示的超透镜。如图9中的(b)所示，在按照图8中的工艺在基底上加工出纳米结构之后，通过蒸镀将材料层沉积到纳米结构的顶部和间隙。
图10示出了图4所示的超透镜中材料层的加工工艺。如图10所示，按照图8所示获得如图2所示的超透镜，然后采用化学机械抛光工艺去除纳米结构顶部(纳米结构远离基底一侧)的材料层。参见图11，按照图8所示的工艺获得如图2所示的超透镜，在超透镜远离基底一侧的全部表面喷涂光刻胶并通过光刻去除纳米结构侧壁表面和纳米结构间隙中的光刻胶，然后通过刻蚀去除纳米结构间隙中的材料层，仅保留纳米结构顶部和侧壁的材料层，从而得到图5所示的超透镜。
图12示出了图6所示的超透镜中材料层的加工工艺。参见图12，采用与图11中类似的方法仅在纳米结构的顶部涂覆光刻胶，然后通过刻蚀(化学刻蚀或电子束刻蚀等)去除纳米结构侧壁或纳米结构间隙中的材料层，从而得到图6所示的超透镜。
本申请实施例提供的沉积工艺包括但不限于物理气相沉积和原子层沉积。例如化学气相沉积、低压化学气相沉积、热蒸镀等工艺同样可适用于本申请实施例提供的超透镜加工工艺。由于本申请实施例的材料层满足公式(1)，纳米结构单元的相位与材料层的折射率和纳米结构单元中材料层沿所述纳米结构的延伸方向的最下端到最上端的距离联合设计，不需要填充纳米结构之间的间隙，以形成新的超透镜。且，由于该工艺不需要填充纳米结构，纳米结构与材料层可以相继采用半导体工艺加工，不需要引入传统光学中的膜系生长工艺。相比传统工艺，材料层的厚度分布均匀，不破坏超透镜的光相位。
实施例
在一种示例性的实施方式中，基于上述实施例提供的设计方法和加工工艺设计并生成超透镜如下。
该超透镜的工作波段位于可见光波段的550nm至650nm，口径为2mm，焦距为4mm，目标透过率为宽谱90％以上。该超透镜中纳米结构为纳米圆柱形结构，且呈正六边形排列。纳米结构的高度为500nm，周期为400nm。该超透镜中基底材料为熔融石英，纳米结构材料为氮化硅(SiN)。当不沉积材料层时，对于超透镜中任一纳米结构单元，其相位和透过率关系如图13所示。
参见图13的左图，对于单个纳米结构单元，其相位基本满足相位和角频率的线性关系。参见右图可以看出，这种微纳单元可以覆盖0-2π，且具有一定的透过率。根据超透镜的相位分布进行纳米结构的排布，然后计算得到超透镜的有效折射率。以550nm波长处为例，超透镜有效折射率为1.38，已知基底的折射率为1.42。最终通过计算，得到超透镜的宽谱透过率为85％，不满足设计需求。
通过原子层沉积以侧壁沉积的方式向纳米结构单元中引入材料层。材料层的材料为二氧化钛(TiO2)，高度h为530nm。包含材料层的纳米结构单元的相位和透过率参见图14。
如图14中左图所示，任一纳米结构单元基本满足相位和角频率的线性关系。如图14中右图所示，纳米结构单元可以覆盖0至2π，且具有较高的透过率。根据计算，在550nm波段处，得到超透镜有效折射率为1.41，已知基底的折射率为1.42。通过计算，超透镜的宽谱透过率为92％。
综上所述，本申请实施例提供的超透镜设计方法，通过将纳米结构单元的相位与材料层的折射率以及纳米结构单元中材料层背离基底的最上端与所述材料层朝向基底的最下端的距离联合设计，在超透镜具有纳米结构的一侧沉积材料层，不需要填充纳米结构之间的间隙获得新超透镜，再基于新超透镜设计增透膜，设计流程简化，也避免了直接在设计好的超透镜上沉积增透材料导致超透镜相位被破坏。
本申请实施例提供的超透镜，材料层与纳米结构联合设计，且覆盖纳米结构与基底的至少部分表面但不破坏超透镜的相位。并且，材料层紧接着纳米结构的刻蚀之后采用半导体沉积工艺加工，加工工艺简单，量产难度低。
本申请实施例提供的超透镜加工工艺，材料层可以通过半导体沉积工艺直接加工，避免了填充原有纳米结构的间隙后采用传统光学膜系生长工艺的复杂流程，降低了量产成本和工艺难度。
以上所述，仅为本申请实施例的具体实施方式，但本申请实施例的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请实施例披露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请实施例的保护范围之内。因此，本申请实施例的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (29)

1.一种超透镜的设计方法，其特征在于，所述方法包括：
在超透镜表面具有纳米结构的一侧沉积材料层，使所述材料层覆盖以下表面中的任一或两者：
所述纳米结构的至少部分表面；以及，
超透镜的基底靠近所述纳米结构一侧的表面；
其中，所述纳米结构、所述纳米结构一侧的基底和所述材料层构成纳米结构单元；
所述纳米结构单元至少满足：
Figure FDA0003845669930000011
其中，i为所述超透镜中纳米结构单元的编号；
Figure FDA0003845669930000012
为编号为i的纳米结构单元的相位；neff-i为所述纳米结构单元的有效折射率；ω为入射光的角频率；n为所述材料层的折射率；h为纳米结构单元中材料层沿所述纳米结构的延伸方向的最下端到最上端的距离。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述纳米结构单元还满足：
Figure FDA0003845669930000013
其中，N为所述超透镜中纳米结构的总数；nsubstrate为所述基底的折射率。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述材料层覆盖所述纳米结构的至少部分表面包括：
所述材料层覆盖所述纳米结构远离所述超透镜的基底的端面的全部；或者，
所述材料层覆盖所述纳米结构侧壁的全部。
4.如权利要求1-3中任一所述的方法，其特征在于，所述材料层的折射率小于所述纳米结构的折射率。
5.如权利要求1-3中任一所述的方法，其特征在于，所述材料层的折射率大于所述纳米结构的折射率。
6.如权利要求1-3中任一所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：在所述沉积材料层之前确定所述材料层的折射率以及所述纳米结构单元中材料层沿所述纳米结构的延伸方向的最下端到最上端的距离。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述确定所述材料层的折射率以及所述纳米结构单元中材料层沿所述纳米结构的延伸方向的最下端到最上端的距离包括：
S1，根据超透镜的相位分布选择纳米结构的初始参数；
S2，设定所述材料层的初始折射率，建立包含所述纳米结构的纳米结构单元的模型；
S3，设定所述纳米结构单元中材料层沿所述纳米结构的延伸方向的最下端到最上端的初始距离，使所述纳米结构单元的相位覆盖0到2π；
S4，根据所述超透镜的相位分布排列所述纳米结构，并计算所有纳米结构对应的超表面单元的有效折射率；所述超表面单元为所述纳米结构单元中不含基底的部分；
S5，基于所有超表面单元的有效折射率计算所述超透镜的总有效折射率；
S6，计算所述超透镜纳米结构的总有效折射率与所述基底的折射率的第一差值并计算所述超透镜透过率；
S7，判断第一差值是否小于目标值，且所述透过率是否大于目标透过率；
若是，则初始折射率和初始高度为沉积时材料层的折射率和高度；
若否，则重复步骤S2至步骤S7，使第一差值小于目标值，且所述透过率大于或等于目标透过率。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述确定所述材料层的折射率和高度还包括：
步骤S8，若重复步骤S2至步骤S7得到的第一差值不小于目标值，或透过率始终小于目标透过率，则重复步骤S1至步骤S7。
9.如权利要求1-3中任一所述的方法，其特征在于，所述材料层覆盖纳米结构以及基底与空气相邻的所有表面。
10.如权利要求1-3中任一所述的方法，其特征在于，所述材料层覆盖纳米结构远离基底的端面。
11.如权利要求1-3中任一所述的方法，其特征在于，所述材料层覆盖基底与空气相邻的表面。
12.如权利要求1-3中任一所述的方法，其特征在于，所述材料层覆盖纳米结构的侧壁以及基底与空气相邻的表面。
13.如权利要求1-3中任一所述的方法，其特征在于，所述材料层覆盖纳米结构的全部表面。
14.一种超透镜，其特征在于，采用如权利要求1-13中任一所述的方法设计，所述超透镜包括：
基底，被配置为能够透过工作波段的辐射；
纳米结构，位于所述基底的一侧，被配置为能够透过工作波段的辐射；
材料层，被配置为覆盖以下表面中的任一或两者：
所述纳米结构的至少部分表面；以及，
超透镜的基底靠近所述纳米结构一侧的表面；
其中，所述纳米结构、所述纳米结构一侧的基底和所述材料层构成纳米结构单元；
所述纳米结构单元至少满足：
Figure FDA0003845669930000041
其中，i为所述超透镜中纳米结构单元的编号；
Figure FDA0003845669930000042
为编号为i的纳米结构单元的相位；neff-i为所述纳米结构单元的有效折射率；ω为入射光的角频率；n为所述材料层的折射率；h为所述纳米结构单元中材料层沿所述纳米结构的延伸方向的最下端到最上端的距离。
15.如权利要求14所述的超透镜，其特征在于，所述纳米结构单元还满足：
Figure FDA0003845669930000043
其中，N为所述超透镜中纳米结构的总数；nsubstrate为所述基底的折射率。
16.如权利要求14或15所述的超透镜，其特征在于，所述纳米结构的高度为0.3λc至2λc；其中，λc为工作波段的中心波长。
17.如权利要求14或15所述的超透镜，其特征在于，所述纳米结构的高度大于或等于0.3λc，并且小于或等于5λc；其中，λc为工作波段的中心波长。
18.如权利要求14或15所述的超透镜，其特征在于，所述纳米结构以可密堆积图形的样式阵列排布；其中，纳米结构被设置于可密堆积图形的中心和/或顶点位置。
19.如权利要求14或15所述的超透镜，其特征在于，所述纳米结构的深宽比小于或等于20。
20.如权利要求14或15所述的超透镜，其特征在于，所述材料层为单层结构。
21.如权利要求14或15所述的超透镜，其特征在于，所述材料层为多层结构。
22.一种超透镜加工工艺，其特征在于，适用于采用权利要求1-13任一所述的方法设计的超透镜或如权利要求14-21中任一所述的超透镜，所述工艺包括：
在基底生长纳米结构材料；
涂胶，在所述纳米结构材料远离基底的一侧涂覆光刻胶；
光刻显影，在所述光刻胶上曝光形成参考结构；
刻蚀去胶，基于所述参考结构刻蚀纳米结构材料以获得纳米结构，并去除光刻胶；
沉积材料层，在以下表面中的任一或两者上沉积材料层：
所述纳米结构的至少部分表面；以及，
超透镜的基底靠近所述纳米结构一侧的表面；
以使所述纳米结构、所述纳米结构一侧的基底和所述材料层构成纳米结构单元；并且
所述纳米结构单元至少满足：
Figure FDA0003845669930000051
其中，i为所述超透镜中纳米结构单元的编号；
Figure FDA0003845669930000052
为编号为i的纳米结构单元的相位；neff-i为所述纳米结构单元的有效折射率；ω为入射光的角频率；n为所述材料层的折射率；h为所述纳米结构单元中材料层沿所述纳米结构的延伸方向的最下端到最上端的距离。
23.如权利要求22所述的工艺，其特征在于，所述材料层还满足：
Figure FDA0003845669930000053
其中，N为所述超透镜中纳米结构的总数；nsubstrate为所述基底的折射率。
24.如权利要求22或23所述的工艺，其特征在于，所述沉积材料层包括：
将材料层沉积在所述纳米结构远离所述超透镜的基底的端面的全部；或者，所述纳米结构侧壁的全部。
25.如权利要求22或23所述的工艺，其特征在于，所述材料层覆盖纳米结构以及基底与空气相邻的所有表面。
26.如权利要求22或23所述的工艺，其特征在于，所述材料层覆盖纳米结构远离基底的端面。
27.如权利要求22或23所述的工艺，其特征在于，所述材料层覆盖基底与空气相邻的表面。
28.如权利要求22或23所述的工艺，其特征在于，所述材料层覆盖纳米结构的侧壁以及基底与空气相邻的表面。
29.如权利要求22或23所述的工艺，其特征在于，所述材料层覆盖纳米结构的全部表面。
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