CN117590490A - 带有吸收性孔边界的超表面 - Google Patents

Abstract

超表面光学装置可以包括在基板(11)的第一侧(11f)上的柱(13)的阵列，柱(13)与阻挡层(12)的孔(15)对齐或靠近阻挡层(12)。阻挡层(12)可以位于基板(11)的第一侧(11f)上、位于基板(11)的与第一侧(11f)相对的第二侧(11s)上，或位于两者上。阻挡层(12)可以防止光在不希望的位置处透射穿过装置。阻挡层(12)可以对入射光不透明，并且可以包括吸收层。因此，阻挡层(12)可以具有双重功能——阻挡和吸收光。

Description

带有吸收性孔边界的超表面

优先权要求

本申请要求2022年8月17日提交的美国临时专利申请号US 63/398,571的优先权，该申请通过引用并入本文。

技术领域

本申请涉及光学超表面(超颖表面，metasurface)。

背景技术

光学超表面可以在没有传统透镜的情况下操纵光波前。它们可以包括在基板上或在基板中的比如亚波长尺寸的柱、肋或孔洞之类的结构。

这些结构在基板表面上的尺寸、形状和间距可以变化。每种结构尺寸、形状和间距都可以提供独特的电磁响应。超表面可以提供所需的光波前操纵(相位、偏振和振幅)，而无需传统透镜的厚度。超表面可以克服传统透镜的像差问题。

超表面结构可以衍射入射光，其尺寸可以堪比于光波长。这些结构可以具有纳米尺寸级尺寸。超表面不像传统透镜那样依赖于曲率，而是依赖于结构的尺寸和图案来以所需的图案衍射光。衍射光波可以相互干涉，形成所需的、改变的波前。

超表面可以聚焦光、准直光、衍射光、漫射光、改变光的偏振或将白光分解成多种不同的颜色。超表面可用于光学系统的小型化和质量改进。超表面可以减少系统中光学部件的数量。超表面可以适应解决比传统透镜更广泛的需求。超表面可用于检测光强度、深度感应、成像、光相关电子学、显微光谱仪、安保和密码学。

附图说明

图1是在基板11的第一侧11f上带有柱13的阵列的超表面光学装置的侧剖视图，柱13与阻挡层12的孔15对齐。

所述阻挡层12位于基板11的第一侧11f上。所述阻挡层12可以包括吸收层。

图2是类似于装置10的超表面光学装置20的侧剖视图。装置20中的阻挡层12可以包括近端层21和远端层23。

图3是类似于装置10和20的超表面光学装置30的侧剖视图。装置30中的阻挡层12可以包括近端层21、中间层22和远端层23。

图4是类似于装置10、20和30的超表面光学装置40的俯视图。

图5是在基板11的第一侧11f上带有柱13的阵列的超表面光学装置50的侧剖视图，柱13与阻挡层12的孔15对齐。阻挡层12位于基板11的第二侧11s上。第二侧11s与第一侧11f相对/相背对。阻挡层12可以包括吸收层。

图6是类似于装置50的超表面光学装置60的侧剖视图。装置60中的阻挡层12可以包括近端层21和远端层23。

图7是类似于装置50和60的超表面光学装置70的侧剖视图。装置70中的阻挡层12可以包括近端层21、中间层22和远端层23。

图8是在基板11的第一侧11f上带有柱13的阵列的超表面光学装置80的侧剖视图，柱13与第一阻挡层12a和第二阻挡层12b的孔15对齐。第一阻挡层12a位于基板11的第一侧11f上，第二阻挡层12b位于基板11的与第一侧11f相对的第二侧上。第一阻挡层12a和第二阻挡层12b可以各自包括吸收层。

图9是示出了制作超表面光学装置的方法中的步骤90的侧剖视图，该步骤90包括：在透明基板11的第一侧11f上形成柱13的阵列。

图10是示出了制作超表面光学装置的方法中的步骤100的侧剖视图。步骤100包括：在柱13的阵列上施加薄膜102并延伸超过柱13的阵列的边界。薄膜102可以包括吸收膜。薄膜102的外环102o可以包围柱13的阵列。薄膜102的内部102i可以覆盖柱13的阵列。

图11是示出了制作超表面光学装置的方法中的步骤110的侧剖视图。步骤110包括：在柱13的阵列上施加外涂层14，然后在外涂层14上和柱13的阵列上施加薄膜102并延伸超过柱13的阵列的边界。薄膜102可以包括吸收膜。薄膜102的外环102o可以包围柱13的阵列。薄膜102的内部(内部分)102i可以覆盖柱13的阵列。

图12是示出了制造超表面光学装置的方法中的步骤120的侧剖视图。步骤120包括：在透明基板11的第二侧11s上施加薄膜102。薄膜102可以包括吸收膜。第二侧11s与第一侧11f相对。薄膜102与柱13的阵列相对且比柱13的阵列更宽。

附图标记列表

超表面光学装置10、20、30、40、50、60、70、80

制作超表面光学装置方法中的步骤90、100、110、120

基板11

第一侧11f

第二侧11s

阻挡层12

第一阻挡层12a

第二阻挡层12b

柱13的阵列

外涂层14

孔15

近端层21

中间层22

远端层23

薄膜102

内部102i

外环102o

具体实施方式

定义。下列定义，包括它们的复数形式，通篇适用于在本专利申请中。

如本文所用，术语“包围”不限于圆形形状，而是包括围绕内部物体的任何形状。

如本文所用，术语“纳米尺寸级”是指小于一微米。

如本文所用，术语“在……上”、“位于……上”、“位于……处”和“位于……之上”是指直接位于……上或在中间带有某些其他实体材料地位于……之上。术语“直接位于……上”、“邻接”、“邻近”和“相邻”是指直接和紧接地接触。

光学结构中使用的材料可以吸收一些光，反射一些光，并透射一些光。以下定义区分了主要是吸收性、主要是反射性或主要是透明的材料。每种材料在预期用途的波长范围内、在整个紫外光谱上、在整个可见光谱上、在整个红外光谱上或它们的组合中被认为是吸收性的、反射性的或透明的，并且可以在不同的波长范围内具有不同的性质。材料基于体积反射率R、折射率n和消光系数k分为吸收性的、反射性的和透明的。等式1用于确定空气与材料均匀板之间的界面在法向入射时的体积反射率R：

等式1：

除非本文另有明确说明，否则在波长范围内k≤0.1的材料是“透明”材料，在指定波长范围内k>0.1且R≤0.6的材料是“吸收性”材料，在指定波长范围内k>0.1且R>0.6的材料是“反射性”材料。如果在权利要求中明确说明，在指定波长范围内k>0.1且R≥0.7、R≥0.8或R≥0.9的材料是“反射性”材料。

除非本文另有明确说明，否则所有n和k值(折射率n和消光系数k的实部)在450nm至700nm的波长范围内都是这样的值。

除非本文另有明确说明，否则所有温度相关值均为在25℃时的此类值。

如图1－8所示，示出了包括在透明基板11的第一侧11f上的超表面结构阵列的超表面光学装置10、20、30、40、50、60、70、80。超表面结构示出为柱13的阵列，其可以是亚波长尺寸的柱、肋或孔洞。柱13的阵列可以包括彼此具有不同直径和/或不同形状的不同柱。柱13可以具有纳米尺寸级尺寸。柱13之间可以具有纳米尺寸级间距。

用于柱13的阵列的示例材料包括氧化铌、氧化钛、氮化硅或它们的组合。柱13的阵列在整个可见光谱上的折射率可以≥1.8。

如图1和5所示，外涂层14可以位于柱13的阵列上。外涂层14可以跨越柱13的阵列之间的通道而不填充通道。外涂层14可以邻接柱13的阵列。外涂层14在用途波长范围内可以是透明的。外涂层14可以保护柱13的阵列。用于外涂层14的示例材料包括二氧化硅、氧化铝或两者。

柱13的阵列可以与阻挡层12的孔15对齐。柱13的阵列可以遮挡阻挡层12的孔15。柱13的阵列可以位于阻挡层12的整个孔15上。柱13的阵列可以与阻挡层12的孔15对齐。柱13的阵列可以靠近阻挡层12。

阻挡层12可以防止光在不希望的位置处透射穿过装置。阻挡层12可以对入射光不透明/不透光。

孔15可以延伸穿过阻挡层12。阻挡层12可以包围孔15。尽管阻挡层12的圆形孔15如图4所示，但孔15可以具有任何所需的形状。由于设置了露出透明柱13和透明基板11的开口，孔15可以允许光透射穿过装置。

阻挡层12可以反射光，这会干涉光学系统。例如，阻挡层12可以由铝制成。阻挡层12可以包括吸收层以吸收入射光，这可以防止或最小化对光学系统的这种干涉。因此，阻挡层12可以具有双重功能——阻挡光和吸收光。吸收层可以包括锗、硅、碳或它们的组合。

如图1和5所示，阻挡层12可以由单层形式的吸收层组成或包含在单层形式的吸收层中。这允许简单的制造。如果入射光和基板11内反射的光应该被吸收，则该示例为优选的。然而，如果吸收层不够不透明，则该示例不是优选的。

如图2和6所示，阻挡层12可以包括近端层21和远端层23。近端层21、远端层23或两者均可是吸收层。近端层21或远端层23可以反射入射光。近端层21或远端层23中的一个可以是吸收层，而近端层21或远端层23中的另一个可以是反射层。反射层可以邻接吸收层。

近端层21可以是吸收层，且远端层23可以是反射层。这可以允许吸收在基板11内反射的光。吸收层可以邻接基板11。

替代地，近端层21可以是反射层，且远端层23可以是吸收层。这可以允许吸收装置20或60上入射的光。反射层可以邻接基板11。

如图3和7所示，阻挡层12可以包括近端层21、中间层22和远端层23。近端层21、中间层22、远端层23或它们的组合可以是吸收层。例如，中间层22可以是反射性的，且近端层21和远端层23可以是吸收性的。这可以允许吸收装置30或70上入射的光，以及吸收在基板11内反射的光。反射层可以邻接两层吸收层。

如图1－3所示，阻挡层12可以位于基板11的第一侧11f上。阻挡层12可以包围柱13的阵列。基板11的与第一侧11f相对的第二侧11s可以没有阻挡层12、柱13的阵列或两者。

如图5－7所示，阻挡层12可以位于基板11的第二侧11s上。基板11的与第二侧11s相对的第一侧11f可以没有阻挡层12。

将阻挡层12定位在第一侧11f或第二侧11s上的选择，可以取决于入射光的方向，以及反射光如何干涉光学系统。

如图8所示，阻挡层12可以包括第一阻挡层12a和第二阻挡层12b。第一阻挡层12a可以位于基板11的第一侧11f上。第二阻挡层12b可以位于基板11的第二侧11s上。第一阻挡层12a可以包括第一吸收层，第二阻挡层12b可以包括第二吸收层。

第一阻挡层12a可以包括第一吸收层和反射层(结合图2和8)。第一阻挡层12a可以包括夹在第一对吸收层之间的反射层(结合图3和8)。

第二阻挡层12b可以包括第二吸收层和反射层(结合图6和8)。第二阻挡层12a可以包括夹在第二对吸收层之间的反射层(结合图7和8)。

本文中的超表面光学装置可用于紫外光、可见光、红外光或它们的组合。

方法

制造超表面光学装置的方法可以包括以下步骤的一些或全部：

步骤90(图9)可以包括：在透明基板11的第一侧11f上形成柱13的阵列。

步骤100可以包括：在柱13的阵列上施加薄膜102，薄膜102包括吸收膜(图10)。薄膜102可以延伸超过柱13的阵列的边界。薄膜102的外环102o可以包围柱13的阵列。薄膜102的内部102i可以覆盖柱13的阵列。

步骤100还可以包括：去除薄膜102的内部102i，从而将薄膜102形成为包围柱13的阵列的阻挡层12(图10和1－4)。所述阻挡层12可以包括吸收层。步骤100可以接在步骤90后。

步骤110可以包括：在柱13的阵列上施加外涂层14，然后在柱13的阵列和外涂层14上施加薄膜102(图11)。薄膜102可以延伸超过柱13的阵列的边界。薄膜102的外环102o可以包围柱13的阵列。薄膜102的内部102i可以覆盖柱13的阵列。薄膜102可以包括吸收膜。

步骤110还可以包括：去除薄膜102的内部102i，从而将薄膜102形成为包围柱13的阵列的阻挡层12(图1)。阻挡层12可以包括吸收层。步骤110可以接在步骤90后。

步骤120(图12)可以包括：在透明基板11的第二侧11s上施加薄膜102。第二侧11s与第一侧11f相对。薄膜102与柱13的阵列相对且更宽。薄膜102可以包括吸收膜。

步骤120还可以包括：蚀刻薄膜102的内部102i，以将薄膜102形成为阻挡层12。阻挡层12可以包围孔15，其中光可以透射穿过装置到柱13的阵列(图5－8)。阻挡层12可以包括吸收层。

去除薄膜102的内部102i可以包括：施加掩模以保护外环102o，然后湿法蚀刻以去除内部102i。湿法蚀刻化学成分可以包括75重量百分比的磷酸、5重量百分比的乙酸、5重量百分比的硝酸和构成溶解平衡的水。替代地，HCl、HF或NaOH可用于这种湿法蚀刻。

这些步骤可以按上述顺序或按如果指定了的其他顺序执行。除非在权利要求中另有明确说明，否则一些步骤可以同时执行。通过该方法制作的X射线窗口的部件可以具有在方法说明上面所述的特性。

Claims (10)

1.一种超表面光学装置，包括：

透明基板，所述透明基板包括第一侧和与所述第一侧相对的第二侧；

所述基板上的阻挡层，所述阻挡层构造为阻挡光透射穿过所述阻挡层；

延伸穿过所述阻挡层的孔，所述阻挡层包围所述孔，并且所述孔构造为允许光透射穿过所述装置；

柱的阵列，所述柱的阵列位于所述基板的第一侧上并与所述孔对齐，所述柱的阵列包括彼此直径不相同的不同的柱；并且

所述阻挡层包括吸收层，所述吸收层构造为吸收所述光。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述阻挡层位于所述基板的所述第一侧上。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述阻挡层位于所述基板的所述第二侧上。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：

所述阻挡层包括第一阻挡层和第二阻挡层，所述第一阻挡层位于所述基板的所述第一侧上，并且所述第二阻挡层位于所述基板的所述第二侧上；并且

所述吸收层包括第一吸收层和第二吸收层，所述第一阻挡层包括所述第一吸收层，并且所述第二阻挡层包括所述第二吸收层。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述阻挡层还包括反射层，所述反射层构造为反射所述光，并且所述反射层和所述吸收层位于所述基板的所述第一侧上。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述反射层邻接所述吸收层。

7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述反射层夹在所述吸收层与所述基板之间。

8.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述吸收层夹在所述反射层与所述基板之间。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述阻挡层还包括反射层，所述反射层构造为反射所述光，所述反射层和所述吸收层位于所述基板的所述第二侧上。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述反射层夹在所述吸收层与所述基板之间。