DE112018002670T5

DE112018002670T5 - Breitband achromatische flache optische Komponenten durch dispersionstechnische dielektrische Metaoberflächen

Info

Publication number: DE112018002670T5
Application number: DE112018002670.1T
Authority: DE
Inventors: Nanfang Yu; Adam Overvig; Sajan Shrestha
Original assignee: Columbia University in the City of New York
Current assignee: Columbia University in the City of New York
Priority date: 2017-05-24
Filing date: 2018-05-24
Publication date: 2020-03-05
Also published as: KR20200008630A; WO2018218063A1; US20200096672A1; CN111316138B; CN111316138A; CA3064764A1; US11906698B2; GB2578236B; JP2020522009A; GB2578236A; EP3631533A1; GB201918652D0; CN115047548A; EP3631533A4

Abstract

Es werden Techniken zum Erzeugen eines Ersatzes für optische Elemente mit beugenden planaren Komponenten auf der Basis von Metaoberflächen bereitgestellt. In einem Beispiel wird eine im Wesentlichen flache optische Komponente als Linse für einfallende elektromagnetischer Strahlung mit mindestens einer Wellenlänge und einer ersten Phase in ausfallende elektromagnetische Strahlung mit einer zweiten Phase bereitgestellt.

Description

Querverweis zu verwandten Anmeldungen
Diese Anmeldung nutzt die Priorität der US vorläufigen Anmeldung Nr. 62/510670, die am 24. Mai 2017 angemeldet wurde, dessen gesamter Inhalt durch Verweis Teil dieses Dokuments wurde.
Mitteilung zur Unterstützung durch den Staat
Diese Erfindung wurde mit staatlicher Unterstützung unter Vertragsnummer HR0011-17-2-0017 gemacht, die von dem Institut zur Erforschung zukunftsorientierter Projekte für die Verteidigung gewährt wurde und unter Vertragsnummer FA9550-14-1-0389 von dem Multidisziplinären Universitätsforschungsinstitut der Luftwaffe. Der Staat besitzt bestimmte Rechte der Erfindung.
Hintergrund
Das Ersetzen von optischen Massenelementen mit beugenden planaren Komponenten kann bestimmt Einschränken von optischen Geräten in Bezug auf Gewicht und Größe lösen. Bestimmte optische Geräte leiden unter großen chromatischen Abbildungsfehlern durch Linsendispersion.
Metaflächen kontrollieren optische Wellenfronten kontrollieren, und so genutzt werden, um flache Metaflächenlinsen umzusetzen. Solche Linsen können die Größe und Komplexität von bestimmten Abbildungssystemen reduzieren und neue Abbildungsmodalitäten zu verwirklichen. Trotz der Vorteile zu Herstellungstechniken von Metaflächen, funktionieren bestimmte mit Metaflächenlinsen hergestellte optische Geräte nur bei mehrfachen oder ausgewährten Wellenlängen.
Eine Herausforderung kann sein, achromatische Metalinsen zu bilden, die die gleiche Brennweite über einen breiten Bereich von Wellenlängen haben. Eine zweite Herausforderung kann sein achromatische Breitband-Metalinsen zu formen, die im Übertragungmodus für einfallende Lichtwellen in jedem willkürlichen Polarisationszustand funktionieren. Eine andere Herausforderung kann sein, Metalinsen zu bilden, die monochromatische Abbildungsfehlern korrigieren können, was die Abbildungsqualität verschlechtert. Verbesserte Techniken und Systeme für die Metaoberflächenlinsen werden benötigt, die sowohl chromatische als auch monochromatische Abbildungsfehlern über einen weiten Wellenlängenbereich korrigieren können, die Licht mit einem willkürlichen Polarisationszustand kontrollieren können und die entweder in dem Reflektions- oder Übertragungsmodus funktionieren.
Zusammenfassung
Der offenbarte Gegenstand bietet Techniken, um optische Massenkomponenten mit auf Metaoberflächen basierenden planaren Komponente zu ersetzen.
In bestimmten Ausführungsformen wird eine im wesentlichen flache optische Komponente geboten, als Linse für einkommende elektromagnetische Strahlung mit mindestens einer Wellenlänge und einem ersten Phasenprofil in ausgehende elektromagnetische Strahlung mit einem zweiten Phasenprofil. In bestimmen Beispielen, bestehen die optischen Komponenten aus einem Substrat und wenigstens einer Metaoberfläche. Die Metaoberfläche kann aus mehreren Metaeinheiten bestehen. Jede Metaeinheit kann an einer Entfernung angeordnet werden, die geringer ist als die Wellenlänge von wenigstens einer anderen optischen Metaeinheit.
Gemäß einiger Ausführungsformen des offenbarten Gegenstandes, hat jede der mehreren Metaeinheiten eine bestimmte Form, um die elektromagnetische Strahlung beugend zu zerstreuen. Die mehreren Metaeinheiten können eingestellt sein, um einen Bereich von optischen Phasen und Phasendispersion für eine achromatische Breitband-Metaoberflächenlinse zu bieten. In bestimmten Ausführungsformen können die mehreren Metaeinheiten aus dielektrischem Material hergestellt sein. Das dielektrische Material kann zum Beispiel Silizium, Siliziumnitrid, Galliumnitrid oder Titandioxid sein. In bestimmten Ausführungsformen können die mehreren Metaeinheiten aus metallischem Material hergestellt sein. Das metallische Material kann zum Beispiel Aluminium, Kupfer, Silber oder Gold sein.
Nach einer weiteren Ausführungsform des offenbarten Gegenstandes, besteht die Metaoberfläche aus einer strukturierten Filmschicht. Die Dicke der Filmschicht kann zwischen 100 und 10000 nm sein. Die Metaoberfläche kann mit Maschinen und Techniken hergestellt worden sein, die kompatibel mit Herstellungseinrichtungen von komplementären Metalloxidhalbleitern (CMOS) sind.
Nach dem offenbarten Gegenstand, können die Metaeinheiten teilweise oder ganz im Substrat eingebettet sein. Die Höhe der Metaeinheiten kann variieren. Die Form der Metaeinheiten entlang der Höhenrichtung kann variieren (zum Beispiel Pilzform).
Der offenbarte Gegenstand bietet auch Herstellungsverfahren, um die oben beschriebenen Techniken umzusetzen. Ein Beispiel eines Verfahrens, um eine im wesentlichen flache optische Komponente herzustellen, um als Linse zu dienen für einkommende elektromagnetische Strahlung, mit mindestens einer Wellenlänge und einem ersten Phasenprofil in ausgehende elektromagnetische Strahlung mit einem zweiten Phasenprofil, beinhaltet die Positionierung eines Substrates und die Bildung mindestens einer Metaoberfläche auf dem Substrat. Eine weiteres beispielhaftes Verfahren, um eine im wesentlichen flache optische Komponente herzustellen, enthält die Strukturierung von mehreren Substraten und der Anordnung in einem Stapel.
In manchen Ausführungsformen kann das Herstellungsverfahren die Bildung einer Substratschicht enthalten sowie einer strukturierten Filmschicht darauf mit einer Dicke von zwischen 100 und 10 000 nm. Die Strukturierung kann Elektronenstrahllithographie nutzen, Fotolithographie, tiefe Ultraviolett-Lithographie, oder Prägelithographie. Das Herstellungsverfahren kann auch beinhalten, dass die Metaeinheiten teilweise oder ganz in dem Substrat eingebettet werden.
Figurenliste
Weitere Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden offensichtlich durch die folgende detaillierte Beschreibung im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen, die illustrative Ausführungsformen der vorliegenden Erfindungen zeigen, bei denen:

1 (a) zeigt Diagramme der Phase, die für konvergente Linse nötig ist,
1 (b) zeigt Diagramme der nötigen Phase und im Vergleich die Wellenlänge an vier in (a) gekennzeichneten Orten,
1 (c) zeigt Diagramme von typischen Phasen und im Vergleich Wellenlängen-Antwortverhalten von vier dielektrischen Metaeinheiten.
2 ist ein Diagramm eines Phasendispersionsprofils, das nötig ist, um achromatische Metaoberflächenlinsen zu bauen.
3 ist ein Diagramm, das die Phasenversetzung und die Phasendispersion zeigt, um eine chromatische Metaoberfläche mit einer Brennpunktweite von 100 µm, einem Radius von 50 µm und einer Wellenlängebereich von 0,9-1,6 µm zu erstellen.
4 zeigt drei Beispiele von Metaeinheitssammlungen und den entsprechenden Phasenversetzungsdispersionsraum, den sie abdecken können.
5 (a) ist ein Diagramm einer Vollwellensimulation, das das Winkelphasenantwortverhalten einer Probe-Metaeinheit im Vergleich zur Wellenlänge zeigt.
5 (b) ist ein Diagramm einer Vollwellensimulation, das das Winkelphasenantwortverhalten einer Probe-Metaeinheit im Vergleich zur Wellenlänge zeigt.
5 (c) ist ein Diagramm einer Vollwellensimulation, das das Winkelphasenantwortverhalten einer Probe-Metaeinheit im Vergleich zur Wellenlänge zeigt.
5 (d) ist ein Diagramm einer Vollwellensimulation, das das Winkelphasenantwortverhalten einer Probe-Metaeinheit im Vergleich zur Wellenlänge zeigt.
6 zeigt eine gemessene Fernfeldintensitätsverteilung einer fokussierenden Metaoberflächenlinse mit einem Durchmesser von 100 µm und einer numerischen Öffnung (NA) von 0,24, wobei (a) ein Diagramm von Lichtintensitätsverteilungen auf der Längsebene im Vergleich zur Wellenlänge ist und (b) ein Diagramm von Lichtintensitätsverteilungen in der Brennebene im Vergleich zur Wellenlänge.
7 zeigt gemessene Fernfeldintensitätsverteilungen einer fokussierenden Metaoberflächenlinse mit einem Durchmesser von 200 µm und einer numerischen Öffnung (NA) von 0,12, wobei (a) ein Diagramm von Lichtintensitätsverteilungen auf der Längsebene im Vergleich zur Wellenlänge ist, und (b) ein Diagramm von Lichtintensitätsverteilungen in der Brennebene im Vergleich zur Wellenlänge.
8 zeigt gemessene Fernfeldintensitätsverteilungen einer fokussierenden Metaoberflächenlinse mit einem Durchmesser von 100 µm und einer numerischen Öffnung (NA) von 0,85, wobei (a) ein Diagramm von Lichtintensitätsverteilungen auf der Längsebene im Vergleich zur Wellenlänge ist, und (b) ein Diagramm von Lichtintensitätsverteilungen in der Brennebene im Vergleich zur Wellenlänge.
9 zeigt simulierte Fernfeldintensitätsverteilungen einer fokussierenden Metaoberflächenlinse mit einem Durchmesser von 100 µm, einer Brennweite von 100 µm, und einer numerischen Öffnung (NA) von 0,44, basierend auf den 1400 nm hohen Metaeinheiten, wobei (a) in dem oberen Feld ein Diagramm von Lichtintensitätsverteilungen auf der Brennebene im Vergleich zur Wellenlänge ist, und in dem unteren Feld ein Diagramm von Lichtintensitätsverteilungen in der Längsebene im Vergleich zur Wellenlänge und (b) zeigt Linienabtastungen der Lichtintensität entlang einer Achse der Metaoberflächenlinse im Vergleich zur Wellenlänge.
10 zeigt simulierte Fernfeldintensitätsverteilungen einer fokussierenden Metaoberflächenlinse mit einem Durchmesser von 100 µm, einer Brennweite von 20 µm, und einer numerischen Öffnung (NA) von 0,93, basierend auf den 1400 nm hohen Metaeinheiten, wobei (a) ein Diagramm von Lichtintensitätsverteilungen auf der Brennebene im Vergleich zur Wellenlänge der oberen Feld ist, und ein Diagramm von Lichtintensitätsverteilungen in der Längsebene im Vergleich zur Wellenlänge der unteren Feld und (b) zeigt Linienabtastungen der Lichtintensität entlang einer Achse der Metaoberflächenlinse im Vergleich zur Wellenlänge.
11 zeigt gemessene Fernfeldintensitätsverteilungen einer divergierenden Metaoberflächenlinse mit einem Durchmesser von 100 µm, einer Brennweite von 50 µm, und einer numerischen Öffnung (NA) von 0,7, wobei (a) ein Diagramm von Lichtintensitätsverteilungen auf der Längsebene im Vergleich zur Wellenlänge ist, und (b) ein Diagramm von Lichtintensitätsverteilungen in der Brennebene im Vergleich zur Wellenlänge.
12 (a) zeigt Brennebenenintensitätsverteilungen einer Metaoberflächenlinse mit einem Durchmesser von 100 µm und NA = 0,24 bei ausgewählten Wellenlängen (Maßstabsleiste: 5 µm), und (b) zeigt horizontale und vertikale Einschnitte (volle Linie) an den entsprechenden gemessenen Brennpunkten (a) verglichen mit einem idealen Airy-Punkt (gestrichelte Linien).
13 stellt die Brennlänge als eine Funktion der Wellenlänge dar für vier experimentell nachgewiesene Metaoberflächenlinsen.
14 zeigt gemessene Fokussierungsnutzungsgrade für drei experimentell nachgewiesene Metalinsen.
15 (a) zeigt die ausgebrachte Halbwertsbreite (FWHM) von Brennpunkten für vier experimentell nachgewiesene Metaoberflächenlinsen und (b) zeigt berechnete Strehl-Verhältnisse für drei experimentell nachgewiesene Metaoberflächenlinsen.
16 zeigt optische und SEM Bilder einer beispielhaften hergestellten Metaoberflächenlinse, die im Nahinfrarot-Bereich funktioniert.
17 ist ein SEM Bild eines kleinen Bereiches einer beispielhaften Metaoberflächenlinse, die im Nahinfrarot-Bereich funktioniert.
18 ist ein SEM Bild eines kleinen Bereiches einer beispielhaften Metaoberflächenlinse, die im Nahinfrarot-Bereich funktioniert.
19 ist ein SEM Bild eines kleinen Bereiches einer beispielhaften Metaoberflächenlinse, die im Nahinfrarot-Bereich funktioniert.
20 ist ein SEM Bild eines kleinen Bereiches einer beispielhaften Metaoberflächenlinse, die im Nahinfrarot-Bereich funktioniert.
21 ist ein SEM Bild eines kleinen Bereiches einer beispielhaften Metaoberflächenlinse, die im Nahinfrarot-Bereich funktioniert.
22 ist ein SEM Bild eines kleinen Bereiches einer beispielhaften Metaoberflächenlinse, die im Nahinfrarot-Bereich funktioniert.
23 ist ein SEM Bild eines kleinen Bereiches einer beispielhaften Metaoberflächenlinse, die im Nahinfrarot-Bereich funktioniert.
24 ist ein SEM Bild eines kleinen Bereiches einer beispielhaften Metaoberflächenlinse, die im Nahinfrarot-Bereich funktioniert.
25 ist ein SEM Bild eines kleinen Bereiches einer beispielhaften Metaoberflächenlinse, die im Nahinfrarot-Bereich funktioniert.
26 ist ein SEM Bild eines kleinen Bereiches einer beispielhaften Metaoberflächenlinse, die im Nahinfrarot-Bereich funktioniert.
27 ist eine optische Mikroskopabbildung eines beispielhaften Chips mit mehreren Nahinfrarot-Metaoberflächenlinsen aus amorphen Silizium, die als Struktur auf einem Quarzsubstrat abgebildet sind.
28 ist eine optische Mikroskopabbildung einer beispielhaften Nahinfrarot-Metaoberflächenlinse, die als Struktur auf einem Quarzsubstrat abgebildet ist.
29 (a) zeigt eine beispielhafte Technik, um chromatische und monochromatische Abbildungsfehlern in einem Triplett von Metalinsen zu korrigieren, die aus drei individuellen Metalinsen besteht und (b) zeigt ein Beispiel eines Metalinsen-Triplett.
30 zeigt die Strahlen nachverfolgende Ergebnisse, die zeigen, dass das Metalinsen-Triplett von 29 sowohl chromatische als auch monochromatische Abbildungsfehlern korrigieren kann.
31 (a)-(c) sind optische Abbildungen von Elementen eines Beispiels eines Metalinsen- Triplett
32 ist ein beispielhafte Anordnung eines Metalinsen-Triplett, die für Abbildung verwendet wird.
33 zeigt gemessene Fernfeld-Intensitätsverteilungen des Metalinsen-Triplett von 32, wobei (a) ein Diagramm von Lichtintensitätsverteilungen in der Brennebene im Vergleich mit der Wellenlänge ist, und (b) ist ein Diagramm von Lichtintensitätsverteilungen in der Längsebene im Vergleich zur Wellenlänge.
34 zeigt gemessene Intensitätsverteilungen in der Brennebene bei verschiedenen Wellenlängen und einige Einfallwinkel für das Metalinsen-Triplett, die in 32 dargestellt ist.
35 zeigt Linienabtastungen (volle Linien) von gemessenen Intensitätsverteilungen, die in 34 dargestellt sind, im Vergleich mit beugungsbegrenzten Punkten (gestrichelte Linien).
36 (a)- ( e) zeigen eine Modulationsübertragungsfunktion (MTF) eines Beispiels von Metalinsen-Triplett.
37 (a) - (c) zeigen Abbildungen eines USAF Auflösungsziels unter Benutzung eines beispielhaften Metalinsen-Triplett, wobei Beleuchtungsquellen mit verschiedenen Bandweiten verwendet werden.
38 (a) - (b) zeigen Abbildungen eines Siemens-Sterns und konzentrische Ringe mit einer beispielhaften Metalinsen-Triplett.
39 (a) - (c) zeigen Abbildungsobjekte des Reflektionstyps, die mit einer Breitband-Halogenlampe erleuchtet werden, wobei ein beispielhafte Metalinsen-Triplett verwendet wird.
40 zeigt einen beispielhaften Herstellungsfluss von Metaoberflächenlinsen aus amorphen Silizium (a-Si).
41 zeigt einen beispielhaften Herstellungsfluss von TiO₂ Metaeinheiten, die in Elektronenstrahlenlack PMMA eingebettet ist.
42 ist ein Beispiel eines Herstellungsflusses von pilzförmigen Metaeinheiten für Metaoberflächenlinsen.
43 ist ein Beispiel eines Herstellungsflusses von TiO₂ Metaeinheiten mit variabler Höhe in einem einzelnen Lithographieprozess.
44 ist ein Beispiel eines Herstellungsflusses von TiO₂ Metaeinheiten die elektronenstrahl-empfindliche TiO₂ Sol-Gel verwenden.
45 ist ein REM-Bild von beispielhaft hergestellten TiO₂ Metaeinheiten, die auf dem direkten Elektronenstrahlschreiben im TiO₂ Sol-Gel beruhen.
46 ist ein REM-Bild von beispielhaft hergestellten TiO₂ Metaeinheiten, die auf dem direkten Elektronenstrahlschreiben im TiO₂ Sol-Gel beruhen.
47 ist ein REM-Bild von beispielhaft hergestellten TiO₂ Metaeinheiten, die auf dem direkten Elektronenstrahlschreiben im TiO₂ Sol-Gel beruhen.
48 ist eine schematische Darstellung einer beispielhaften optischen Anordnung.

Es ist zu verstehen, dass sowohl die vorherige allgemeine Beschreibung, als auch die folgende detaillierte Beschreibung beispielhaft sind und dafür gedacht sind, den offenbarten Gegenstand näher zu beschreiben.
Detaillierte Beschreibung
Die hier beschriebenen Systeme und Methoden bieten flache optische Komponenten, die die Funktion einer Linse erfüllen, ohne chromatische Abbildungsfehler über einen stetigen und breiten Wellenlängenbereich und ohne monochromatische Abbildungsfehler über einen bestimmten Bereich des Einfallwinkels des Lichts. Der offenbarte Gegenstand kann ein Metaoberflächengerät enthalten. In manchen Ausführungsformen kann der offenbarte Gegenstand eine dünne, d.h. mit einer Dicke nahe an oder kleiner als die wirkende Wellenlänge, Oberfläche haben, die zusammengesetzt ist aus optischen Nano-Streuern („Meta-Einheiten“), die an den Entfernungen angeordnet sind, die kleiner sind als die Wellenlänge. In bestimmten Ausführungsformen können die Formen und die Anordnung des offenbarten Gegenstandes so entworfen werden, dass einfallendes Licht beugend gestreut wird zu einem gewünschten Output.
Der offenbarte Gegenstand kann die Phase der ausgehenden Lichtwellen verändern. Zum Beispiel kann das räumliche Profil einer Phase entworfen werden, um eine bestimmte Funktion auszuführen und die Metaoberflächen können ausgestaltet werden, um die für diese Funktion nötige Phase zur Verfügung zu stellen. Die Meta-Einheiten können aus dielektrischem Material hergestellt sein, wie zum Beispiel Silizium und Titandioxid, welches einen hohen Brechindex haben kann, aber null oder wenig optischen Verlust.
1 (a) stellt ein Diagramm einer Phase dar, die für eine konvergierende Linse nötig ist als eine Funktion der radialen Entfernung weg von dem Mittelpunkt der Linse. Drei Wellenlängen, die kürzeste 101 (oben), eine mittlere 102 (in der Mitte), und die längste 103 (unten) sind dargestellt für den durch die gegebenen Gleichungen gegebenen freien Parameter (C(λ)). Die für ro nötige Phase kann für alle Wellenlängen null sein. 1 (b) zeigt Diagramme für alle nötigen Phasen im Vergleich mit der Wellenlänge an vier Orten (dargestellt in 1 (a)) entlang des Radius der Linse. Die höchste Linie 104 hat die größte Phasenstreuung, die zweithöchste Linie 105 hat die zweithöchste Phasenstreuung,die dritthöchste Linie 106 hat die dritthöchste Phasenstreuung, und die niedrigste Linie 107 hat die niedrigste Phasenstreuung. Die Streuungprofile für die Stellen Nr. 1-3 können mit dieser Wahl von freiem Parameter C(λ) al seine Funktion von abnehmender Wellenlänge abnehmen, was mit von den Meta-Einheiten gegebenen Phasenprofilen übereinstimmen kann (wie in 1(c) gezeigt). Die höchste Linie 108 hat die größte Phasenstreuung, die zweithöchste Linie 109 hat die zweithöchste Phasenstreuung, die dritthöchste Linie 110 hat die dritthöchste Phasenstreuung, und die niedrigste Linie 111 hat die niedrigste Phasenstreuung. Das für Breitband-Metaoberflächenlinsen nötige Phasenprofil ist durch die folgende Gleichung gegeben: $ϕ (r, λ) = - \frac{2 π}{λ} \sqrt{f^{2} + r^{2}} + C (λ)$
wobei $C (λ) = \frac{2 π}{λ} \sqrt{f^{2} + {(r 0)}^{2}}$
In manchen Ausführungsformen kann der Freiheitsgrad C(λ) mit der maßgeblichen Formel für Metaoberflächenlinsen (ihr optisches Phasenprofil) modifiziert werden, so dass die der maßgeblichen Gleichung entsprechende nötige Phasenstreuung mit der natürlich von Metaeinheiten erreichbaren Phasenstreuung überein stimmt. In manchen Ausführungsformen kann eine Fehlerminimalisierung durchgeführt werden, die sowohl die Auswahl der Metaeinheit enthält als auch die Auswahl der maßgeblichen Gleichung , um Versatz sowohl der Amplitude als auch der Phase zwischen einer idealen und einer erreichbaren Metaoberflächenlinse zu verringern. So kann zum Beispiel der Fehler zwischen den erreichbaren Metaeinheiten und der maßgeblichen Gleichung der Metaoberflächenlinse reduziert oder minimiert werden, indem eine variable Auswahl zwischen der Metaeinheit und der maßgeblichen Gleichung ermöglicht wird.
2 stellt ein Diagramm von Phasenstreuungsprofilen 200 dar an vier Orten entlang des Radius einer beispielhaften achromatischen Metaoberflächenlinse. Die höchste Linie 201 hat die höchste Phasenstreuung, die zweithöchste Linie 202 hat die zweithöchste Phasenstreuung, die dritthöchste Linie 203 hat die dritthöchste Phasenstreuung, und die niedrigste Linie 204 hat die niedrigste Phasenstreuung. Die linearen Profil können parametrisiert werden mit einer Phasenversatzgröße (Φ₀) und der Steigung $(\frac{d Φ}{d ω}),$
die die Phasenstreuungsgröße repräsentiert.
3 stellt für den Zweck der Darstellung und nicht Limitierung, ein Diagramm dar mit der Phasenversetzung - Raumbedarf der Streuung (repräsentiert durch den mit Punkten bedeckten Bereich) für eine Metaoberflächenlinse mit einer Brennlänge von 100 µm und einem Radius von 50 µm mit einer numerischen Öffnung (NA) von 0,44. Der Phasenversatz kann in ein Intervall von 0 - 2π gepackt werden. Der freie Parameter C(ω) ist durch die Gleichung gegeben mit r₀ = 50 µm. $ϕ (r, λ) = - \frac{2 π}{λ} \sqrt{f^{2} + r^{2}} + C (λ)$
wobei $C (λ) = \frac{2 π}{λ} \sqrt{f^{2} + {(r 0)}^{2}}$
wobei $r 0 = 50 μ m$
4 (a) zeigt drei Metaeinheit-Sammlungen und die Phasenversatz-Streuungsraum den sie abdecken könne. Jede Sammlung enthält ein paar Metaeinheit-Struktur, wobei jedes eine Unterklasse von Metaeinheiten repräsentiert, die aus der Grundform der Struktur bestehen mit variierenden geometrischen Parametern auf der gleichen Ebene. Die Metaeinheiten bestehen aus amorphen Silizium und sind auf einem Quarzsubstrat als Struktur erstellt. In dem Phasenversatz-Streuungsraum, ist die x-Achse die Phase mit der niedrigsten Frequenz (oder der längsten Wellenlänge, λ=1.6 µm), und die y-Achse ist eine Phasenstreuung, ΔΦ=dϕ/dω×Δω, für die ausgewählte Bandweite Δω (i.e., λ=1.2-1.6 µm). Die Metaeinheit-Sammlung 1 enthält einzelne Pfeiler, ringförmige Pfeiler, und konzentrische Ringe. Die Höhe der Metaeinheit ist 800 nm. Zu beachten ist die große Weite der Abdeckung des Phasenstreuungsraums im Vergleich dazu, dass die konventionellen einzelnen Pfeiler verwendet werden. Die Metaeinheit-Sammlung 2 hat die gleichen drei Metaeinheits-Struktur wie die Metaeinheits-Sammlung 1, aber die Höhe der Metaeinheit ist auf 1400 nm erhöht. Der Bereich der erreichten Streuung ist fast verdoppelt. Die Metaeinheits-Sammlung 3 behält die gleiche Höhe bei wie die Metaeinheits-Sammlung 2, aber geht über zu Mustern mit einer vierfachen Symmetrie anstelle einer Rotationssymmetrie. Dieser Übergang weitet die Anzahl der Muster aus auch auf Kreuze und einbeschriebene Kreuze. Die Abdeckung des Phasen Phasen Streuungsraums ist weiter verbessert. 4 (b) zeigt beispielhafte Metaeinheiten mit verschiedener optischen Phasenstreuung. Die Metaeinheiten sind abgestumpfte Wellenleiter. Die erste in der erste Reihe von 4 (b) gezeigte Metaeinheit ist der am meisten streuende Typ der Metaeinheiten: die kurze Wellenlänge hat eine sehr gute Überdeckung mit der Metaeinheit, die eine Stange mit einem Zwischenradius ist, wobei die längste Wellenlänge eine nicht so gute Überdeckung hat. Dies führt zu einem sehr streuenden Phasenantworten. Die letzte Metaeinheit, die in der fünften Reihe von 4 (b) gezeigt ist, ist die am wenigsten streuende der Typen von Metaeinheiten: alle Wellenlängen haben eine ähnliche modale Überdeckung mit Querschnitt der Metaeinheit, was ein kleiner ringförmiger Ring ist.
Der offenbarte Gegenstand kann einen Bereich von neuen Metaeinheit-Strukturen vorstellen und sie nutzen, um die Phasenstreuung bereitzustellen, die für Breitbandfunktion nötig ist. In manchen Ausführungsformen können die Metaeinheiten entfernt sein von dem Mittelpunkt der Metaoberflächenlinse und zum Brennpunkt bei großen Winkeln beitragen.
5 zeigt die Winkelphase in Antwort auf ein paar beispielhafte Metaeinheiten. Die Metaeinheit kann durch ebene Wellen angeregt werden, die in einer senkrechten Richtung zur Oberfläche des Substrats verlaufen. Die Phase von voran gestreutem Licht kann in einem Halbkreis überwacht werden, dessen Zentrum in der Metaeinheit ist, und der Radius der Kreises kann ein vielfaches des Wellenlänge sein (Fernfeld-Charakteristik). Verschiedene Betrachtungswinkel können mit θ angegeben sein. Jedes Winkelantwortdiagramm zeigt, dass die von der Metaeinheit verstreuten Wellenfronten des Lichts nicht sphärisch in der Form sind: die Phasenantwort entlang der Richtung senkrecht zum Substrat (θ = 0) kann anders sein als die Antwort entlang der Richtung θ = 45-Winkel. Metaeinheiten können ausgewählt werden nach ihrer Stelle auf der Metaoberflächenlinse und ihrer Winkelphasenantwort.
Der offenbarte Gegenstand kann Mehrfachwinkel-Metaoberflächen umfassen. Die Mehrfachwinkel-Metaoberfläche kann verschiedene Metaoberflächen-Antworten für verschiedene Einfallwinkel haben. In manchen Ausführungsformen kann der offenbarte Gegenstand benutzt werden, um Abbildungsfehler der Brennebene zu entfernen, um Sonnenstrahlen auf eine Stelle zu konzentrieren oder um alle Einfallwinkel eines On-Chip-Detektors mit kleiner Grundfläche zu erfassen.
6 zeigt, für den Zweck der Darstellung und nicht Begrenzung, gemessene Fernfeld-Intensitätsverteilungen einer fokussierenden Metaoberflächenlinse mit einem Durchmesser von 100 µm und einer numerischen Öffnung (NA) von 0,24. 6 (a) sind gemessene Lichtintensitätsverteilung in der Längsebene, die achromatische Fokussierung über einen weiten Bereich von Wellenlängen zeigen. 6 (b) sind gemessene Lichtintensitäten in der Brennebene, die zeigen, dass beugungsbegrenzte Brennpunkte über einen weiten Bereich von Wellenlängen erhalten werden.
7 zeigt gemessene Fernfeldintensitätsverteilungen einer fokussierenden Metaoberflächenlinse mit einem Durchmesser von 200 µm und einer numerischen Öffnung (NA) von 0,12. 7 (a) sind gemessene Lichtintensitätsverteilungen in der Längsebene, die eine achromatische Fokussierung über einen weiten Bereich von Wellenlängen zeigen. 7 (b) sind gemessene Lichtintensitätsverteilungen in der Brennebene, die zeigen, daß beugungsbegrenzte Brennpunkte über einen weiten Wellenlängenbereich erhalten werden.
8 zeigt gemessene Fernfeldintensitätsverteilungen einer fokussierenden Metaoberflächenlinse mit einem Durchmesser von 100 µm und einer numerischen Öffnung (NA) von 0,85. 8 (a) sind gemessene Lichtintensitätsverteilungen in der Längsebene, die eine achromatische Fokussierung über einen Wellenlängenbereich von λ = 1200-1400 nm zeigen. 8 (b) sind gemessene Lichtintensitätsverteilungen in der Brennebene, die zeigen, daß beugungsbegrenzte Brennpunkte über einen Wellenlängenbereich von 1200 bis 1400 nm erhalten werden.
9 zeigt eine simulierte Fernfeldintensitätsverteilung einer fokussierenden Metaoberflächenlinse mit einem Durchmesser von 100 µm, einer Brennweite von 100 µm und einer numerischen Öffnung (NA) von 0,44 basierend auf den 1400 nm hohen Metaeinheiten. Die Simulation wird mit der Finite-Differenzen-Methode im Zeitbereich (FDTD) durchgeführt. Das obere Feld von 9 (a) sind simulierte Lichtintensitätsverteilungen auf der Brennebene, die zeigen, dass beugungsbegrenzte Brennpunkte über einen weiten Bereich von Wellenlängen erhalten werden. Das untere Feld von 9 (a) sind simulierte Lichtintensitätsverteilungen in der Längsebene, die eine achromatische Fokussierung über einen weiten Bereich von Wellenlängen zeigen. 9 (b) sind Linienabtastungen der Lichtintensität entlang der Achse der Metaoberflächenlinse, die eine achromatische Fokussierung über einen weiten Bereich von Wellenlängen zeigen.
10 zeigt eine simulierte Fernfeldintensitätsverteilung einer fokussierenden Metaoberflächenlinse mit einem Durchmesser von 100 µm, einer Brennweite von 20 µm und einer numerischen Öffnung (NA) von 0,93 basierend auf den 1400 nm hohen Metaeinheiten. Das obere Feld von 10 (a) sind simulierte Lichtintensitätsverteilungen auf der Brennebene, die zeigen, dass beugungsbegrenzte Brennpunkte über einen weiten Bereich von Wellenlängen erhalten werden. Das untere Feld von 10 (a) sind simulierte Lichtintensitätsverteilungen in der Längsebene, die eine achromatische Fokussierung über einen weiten Bereich von Wellenlängen zeigen. 10 (b) sind Linienabtastungen der Lichtintensität entlang der Achse der Metaoberflächenlinse, die eine achromatische Fokussierung über einen weiten Bereich von Wellenlängen zeigen.
11 zeigt gemessene Fernfeldintensitätsverteilungen einer divergierenden Metaoberflächenlinse mit einem Durchmesser von 100 µm, einer Brennweite von 50 µm und einer numerischen Öffnung (NA) von 0,7. Gemessene Brennpunkte sind virtuelle Punkte hinter der Metaoberfläche, von der die Wellenfront ausgeht. 11 (a) sind gemessene Lichtintensitätsverteilungen in der Längsebene, die das achromatische Verhalten über einen weiten Bereich von Wellenlängen zeigen. 11 (b) sind gemessene Lichtintensitätsverteilungen in der Brennebene, die zeigen, dass beugungsbegrenzte virtuelle Brennpunkte über einen weiten Bereich von Wellenlängen erhalten werden.
12 (a) zeigt gemessene Intensitätsverteilungen der Brennebene einer Metaoberflächenlinse mit einem Durchmesser von 100 µm und einer NA von 0,24 bei ausgewählten Wellenlängen. 12 (b) sind horizontale und vertikale Schnitte über die gemessenen Brennpunkte in 12 (a) im Vergleich zu einem idealen Airy-Punkt, was zeigt, dass die Brennpunkte beugungsbegrenzt sind.
13 sind gemessene Brennweiten als Funktion der Wellenlänge für vier experimentell nachgewiesenen Metaoberflächenlinsen, die zeigen, dass die maximale Verschiebung von der mittleren Brennlänge für die gesamte entworfene Bandbreite auf 2-5% begrenzt ist und anzeigen, dass die Metaoberflächenlinsen chromatisch Abbildungsfehler korrigieren können. Das erste Diagramm 1301 hat den größten Z-Wert, das zweite Diagramm 1302 hat den zweitgrößten Z-Wert, das dritte Diagramm 1303 hat den drittgrößten Z-Wert und das vierte Diagramm 1304 hat den niedrigsten Z-Wert.
14 sind gemessene Fokussierungswirkungsgrade von drei experimentell nachgewiesenen Metalinsen. Das erste Diagramm 1401 weist den größten Fokussierungswirkungsgrad auf, das zweite Diagramm 1402 weist den zweitgrößten Spitzenfokussierungswirkungsgrad auf und das dritte Diagramm 1403 weist den niedrigsten Spitzenfokussierungswirkungsgrad auf. In einigen Ausführungsformen können Übertragungs- und Fokussierungswirkungsgrade quantifiziert werden. Der Transmissionswirkungsgrad von Metaoberflächenlinsen kann definiert werden als $Übertragung = \frac{Durch die Öffnung der Metaoberflächenlimse übertragene Leistung}{Auf die Öffnung der Metaoberflächenlinse auftreffende Leistung}$
Das Bestimmen des Übertragungswirkungsgrades umfasst somit das Messen der optischen Leistung, die durch die Fläche einer Metaoberflächenlinse (d. H. Quarzsubstrat, das von Silizium-Metaoberflächen-Strukturen bedeckt ist) übertragen wird, und der optischen Leistung, die nur durch das Quarzsubstrat der gleichen Fläche wie die Metaoberflächenlinse übertragen wird. In einigen Ausführungsformen kann der Fokussierungswirkungsgrad von Metaoberflächenlinsen wie folgt definiert werden: $\begin{matrix} Fokussierungswirkungsgrad = \\ \frac{Integrierte Leistung über einen Bereich mit dem Radius \sim 3 FWHM des Brennpunkts}{Auf die Metaoberflächenlinsenöffnung einfallende Leistung} \end{matrix}$
Das Bestimmen des Fokussierungswirkungsgrads umfasst daher das Messen der optischen Leistung, die auf eine kreisförmige Öffnung in der Brennebene konzentriert ist, deren Durchmesser ungefähr das Dreifache des FWHM des Brennpunkts beträgt, und der optischen Leistung, die durch den Bereich einer Meta-Oberflächenlinse übertragen wird.
15 (a) werden bei halbem Maximum (FWHM) der Brennpunkte für vier experimentell nachgewiesene Metaoberflächenlinsen in voller Breite gewonnen. Gerade Linien repräsentieren theoretische FWHM. 15 (a) enthält drei Diagramme. Das erste Diagramm 1501 hat den größten FWHM-Wert, das zweite Diagramm 1502 hat den zweitgrößten FWHM-Wert und das dritte Diagramm 1503 hat den drittgrößten FWHM-Wert. 15 (b) enthält drei Diagramme.
Das erste Diagramm 1504 hat das größte Strehl-Verhältnis, das zweite Diagramm 1505 hat das zweitgrößte Strehl-Verhältnis und das dritte Diagramm 1506 hat das drittgrößte Strehl-Verhältnis. 15 (b) sind berechnete Strehl-Verhältnisse für drei experimentell nachgewiesene Metaoberflächenlinsen. Die Werte liegen für alle Wellenlängen um oder über 0,8 und erfüllen die Bedingung für beugungsbegrenzte Brennpunkte.
16 (a) ist ein optisches Bild einer beispielhaft hergestellten Metaoberflächenlinse, die im nahen IR arbeitet. 16 (b) - (d) sind Rasterelektronenmikroskop (REM)-Bilder von Bereichen einer beispielhaften Metaoberflächenlinse, die im nahen IR arbeiten. 17 ist ein REM-Bild eines Bereichs einer beispielhaften Metaoberflächenlinse, die im nahen IR arbeitet. 18 - 21 sind REM-Bilder von Bereichen einer beispielhaften Metaoberflächenlinse, die im nahen IR arbeitet. 22, 23 sind REM-Bilder von Bereichen einer beispielhaften Metaoberflächenlinse, die im nahen IR arbeitet. 24 - 26 sind REM-Bilder von Bereichen einer beispielhaften Metaoberflächenlinse, die im nahen IR arbeitet. Alle diese beispielhaften Metaoberflächenlinsen bestehen aus amorphen Silizium, das auf Quarzsubstraten geStrukturt ist.
27 liefert ein optisches Mikroskopbild eines beispielhaften Chips mit einer Anzahl von Nah-IR-Metaoberflächenlinsen aus amorphen Silizium, die auf ein Quarzsubstrat strukturiert sind. Die Durchmesser der Linsen betragen jeweils 300 µm. 28 liefert ein optisches Mikroskopbild einer auf einem Quarzsubstrat strukturierten Nah-IR-Metaoberflächenlinse aus amorphen Silizium.
Fl. 29 (a) zeigt ein Optimierungsschema zum Korrigieren sowohl von chromatischen als auch von monochromatischen Abbildungsfehlern in eines Metalinsen-Triplett, die aus drei einzelnen Metalinsen besteht. Ein Raytracing-Verfahren wird verwendet, um das Metalinsen-Triplett zu optimieren. Ziel der Optimierung ist es, die optische Punktgröße in der Brennebene bei verschiedenen Einfallswinkeln und Wellenlängen zu minimieren. Das Phasenprofil jeder Metaoberfläche wird durch ein Polynom gerader Ordnung mit 5 Parametern vorgegeben, sodass insgesamt 15 Parameter für die Optimierung verwendet werden. Die folgende Gleichung beschreibt das Phasenprofil: $Φ 1 = {\sum_{n = 1}^{5} An (\frac{p}{R1})}^{2 n}$
29 (b) zeigt die Phasenprofile der drei Metaoberflächen für eine bestimmte Ausführung eines Metalinsen-Triplett. Das erste Phasenprofil ist durch die große U-förmige Kurve 2901 gegeben, das zweite Phasenprofil ist durch die kleine U-förmige auf dem Kopf stehende Kurve 2902 und das dritte Phasenprofil ist durch die große U-förmige auf dem Kopf stehende Kurve 2903 gegeben. Parameter für diese besondere Ausführung sind unter der Abbildung aufgeführt.
30 sind Raytracing-Ergebnisse, die eine gute Leistung eines Metalinsen-Triplett bei drei beispielhaften Einfallswinkeln und drei Betriebswellenlängen zeigen. Das Diagramm ganz links mit einer Betriebswellenlänge von 1,2 µm 3000 enthält drei beispielhafte Einfallswinkel. Der höchste 3001 beträgt 25 Grad; der mittlere 3002 ist 0 Grad; und der niedrigste 3003 ist 18 Grad. Der mittlere Graph mit der Betriebswellenlänge 1,4 µm 3004 enthält drei beispielhafte Einfallswinkel. Der höchste 3005 ist 25 Grad; der mittlere 3006 ist 0 Grad; und der niedrigste 3007 ist 18 Grad. Der Graph ganz links mit einer Betriebswellenlänge von 1,6 µm 3008 enthält drei beispielhafte Einfallswinkel. Der höchste 3009 ist 25 Grad; der mittlere 3010 ist 0 Grad; und der niedrigste 3011 ist 18 Grad. 31 (a) - (c) sind optische Bilder von drei Elementen eines Metaoberflächen-Triplett, die unter Verwendung von Elektronenstrahllithographie hergestellt wurde, und 32 ist ein optisches Bild des zusammengesetzten Triplett.
33 zeigt gemessene Fernfeldintensitätsverteilungen des in 32 gezeigten Metalinsen-Triplett. Gemessene Lichtintensitätsverteilungen in der Brennebene werden im oberen Feld angezeigt, was zeigt, dass die Brennpunkte über einen weiten Wellenlängenbereich beugungsbegrenzt sind. Gemessene Lichtintensitätsverteilungen in der Längsebene sind in dem unteren Feld gezeigt, was zeigt, dass die Brennweiten über eine Wellenlänge von λ = 1,3-1,6 µm etwa 5 mm betragen.
34 sind gemessene Intensitätsverteilungen in der Brennebene bei verschiedenen Wellenlängen und einige Einfallswinkeln für das in 32 gezeigte Metalinsen-Triplett. Die Ergebnisse zeigen, dass die Brennpunkte bis zu einem Einfallswinkel von 20 Grad eine geringe Verzerrung aufweisen, was auf eine gute Unterdrückung von monochromatischen Abbildungsfehlern hinweist. Wenn der Einfallswinkel auf 25 Grad ansteigt, zeigen die Brennpunkte bei den kürzesten Wellenlängen eine Verzerrung. Die Linienabtastungen der in 35 dargestellten Brennpunkte zeigen die gleiche Sache. Die Modulationsübertragungsfunktion (MTF) des Metalinsen-Triplett kann durch Durchführen einer Fouriertransformation der gemessenen Brennpunkte berechnet werden, und die Ergebnisse sind in 36 gezeigt.
36 (a) - (d) sind MTFs, die für vier Wellenlängen berechnet wurden. 36 (e) sind MTFs, die über den Wellenlängenbereich von 1,3 bis 1,6 um bei mehreren Einfallswinkeln integriert wurden. Die MTF-Kurven nehmen im Vergleich zu MTF des beugungsbegrenzten Falls mit zunehmendem Einfallswinkel nicht signifikant ab, was darauf hinweist, dass monochromatische Abbildungsfehler unterdrückt werden.
37 (a) - (b) zeigen Ergebnisse der Abbildung des USAF-Auflösungsziels unter Verwendung des Metalinsen-Triplett. 37 (a) ist ein Bild, das aufgenommen wurde, wobei das Objekt mit einem Diodenlaser mit einer sehr engen Linienbreite um λ = 1550 nm beleuchtet wurde. 37 (b) ist ein Bild, das aufgenommen wurde, wobei das Objekt mit einer Breitbandhalogenlampe beleuchtet wurde, die breitbandige Strahlung im nahen Infrarot von λ = 700 nm bis 1700 nm emittiert. Ein Vergleich der beiden Bilder zeigt, dass das mit dem Diodenlaser aufgenommene Bild schärfer ist, die Verschlechterung bei Verwendung der Halogenlampe jedoch nicht signifikant ist. Dies zeigt an, dass das Metalinsen-Triplett chromatische Abbildungsfehler korrigieren kann. 37 (c) ist eine schematische Darstellung des Versuchsaufbaus. Der Aufbau enthält einen Faserkoppler 3701, ein resultierendes Bild 3702, ein Triplett 3703, eine hintere Brennebene 3704, ein 10x-Objektiv 3705 und eine Kamera, die im nahen IR 3706 arbeitet.
38 zeigt Ergebnisse der Abbildung des Siemens-Sterns und des konzentrischen Rings unter Verwendung des Metalinsen-Triplett. 38 (a) ist ein Bild, das aufgenommen wurde, wobei das Objekt mit dem bei λ = 1550 nm emittierenden Diodenlaser beleuchtet wurde. 38 (b) ist ein Bild, das aufgenommen wurde, wobei das Objekt mit der Breitbandhalogenlampe beleuchtet wurde. Die Verschlechterung des Bildes bei Verwendung der Halogenlampe ist nicht bedeutend, was darauf hinweist, dass das Metalinsen-Triplett chromatische Abbildungsfehler korrigieren kann. 39 (a) - (b) zeigen Ergebnisse der Abbildung von Objekten vom Reflexionstyp, die mit der Breitbandhalogenlampe unter Verwendung des Metalinsen-Triplett beleuchtet wurden. 39 (a) ist ein Bild des Columbia Engineering-Logos, das auf A4-Papier gedruckt ist. Das Sichtfeld beträgt ungefähr ± 15 Grad. 39 (b) ist ein Bild eines USAF-Auflösungsziels, das auf A4-Papier gedruckt ist. Das Sichtfeld beträgt ebenfalls ungefähr ± 15 Grad. Die scharfen Merkmale der Bilder weisen darauf hin, dass monochromatische Abbildungsfehler unterdrückt wurden. 39 (c) ist eine schematische Darstellung des Versuchsaufbaus. Der Aufbau enthält ein resultierendes Bild 3901, einen Faserkoppler 3902, ein Triplett 3903, eine hintere Brennebene 3904, ein 10x-Objektiv 3905 und eine Kamera 3906, die im nahen IR arbeitet.
40 zeigt einen beispielhaften Herstellungsablauf für Metaoberflächenlinsen 4000, die auf amorphem Silizium (a-Si) basieren und im nahen Infrarot arbeiten. Die Herstellung kann mit Prozessen erfolgen, die mit Fertigungsanlagen für komplementäre Metalloxidhalbleiter (CMOS) kompatibel sind. Zu den verwendeten Materialien kann jedes CMOS-kompatible verlustarme dielektrische Material gehören, das innerhalb der gewünschten Bandbreite arbeitet. Dies kann die Wahl von a-Si-Nanostrukturen treffen, die auf einem Siliziumdioxidsubstrat ruhen. Bei 4001 kann der a-Si-Film auf dem Siliziumdioxidsubstrat mit Hilfe von chemischer Gasphasenabscheidung auf Höhen von 100 bis 10.000 nm angewachsen werden. Bei 4002 kann Elektronenstrahllithographie (verallgemeinerbar auf optische Lithographie, Tief-UV-Lithographie oder Nanoprägelithographie) verwendet werden, um die entworfene Metaoberflächenstruktur in eine Lackschicht (Poly (methylmethacrylat) oder PMMA) zu strukturieren, die auf der a-Si-Schicht durch eine Standard-Rotationsbeschichtungstechnik abgelagert werden kann. Bei 4003 können die Struktur durch Eintauchen in eine Entwicklerlösung aus Isopropylalkohol und destilliertem Wasser (Verhältnis 3: 1 bis 6: 4) bei Temperaturen zwischen 0 und 10 Grad Celsius für eine Zeit zwischen 1 und 3 Minuten entwickelt werden.
Bei 4004 kann ein Ätzmaskenmaterial wie Aluminiumoxid oder Siliciumdioxid durch physikalisches Aufdampfen mit einer Dicke zwischen 10 und 50 nm abgelagert werden. Bei 4005 kann das Struktur durch Auflösen der verbleibenden Lackschicht in einem organischen Lösungsmittel wie Aceton oder N-Methyl-2-pyrrolidon bei einer Temperatur zwischen 25 und 90 Grad Celsius für eine Zeit zwischen 1 und 12 Stunden entfernt werden. Bei 4006 kann das auf der a-Si-Schicht verbleibende Material die durch Elektronenstrahllithographie bestimmte Ätzmaske sein. Dieses Struktur kann durch reaktives Ionenätzen in die a-Si-Schicht übertragen werden, wodurch nach einem optionalen Verfahren zum Entfernen der Ätzmaskenschicht durch ein nasschemisches Verfahren die endgültige Vorrichtung erhalten wird, die aus Siliziummetaoberflächen auf einem Siliziumdioxidsubstrat besteht.
In einigen Ausführungsformen wird die Herstellung von Metaeinheiten offenbart. 41 zeigt ein Beispiel für den Herstellungsablauf von TiO₂-Metaeinheiten (lila) für Metaoberflächenlinsen. Bei 4101 wird eine Schicht aus Elektronenstrahllack, beispielsweise PMMA 950k, rotationsbeschichtet. Als nächstes 4102 wird eine Elektronenstrahlbelichtung angewendet, um Linsenstruktur der Metaoberfläche zu definieren. Bei 4103 wird TiO₂ unter Verwendung von Atomlagenabscheidung (ALD) abgeschieden. Bei 4104 wird ein Ätzen verwendet, um die Oberfläche der Vorrichtung zu planarisieren. Bei 4105 wird ein partielles Sauerstoffplasmaätzen verwendet, um eine Schicht aus PMMA zu entfernen. TiO₂-Metaeinheiten mit höherem Längenverhältnis können in diesem Schema zugelassen werden, da sie aus Gründen der mechanischen Stabilität teilweise in die PMMA-Lackschicht eingebettet sind. Der Teil der Metaeinheiten, der Luft ausgesetzt ist, kann einen großen Indexkontrast aufweisen, was zu einer großen Abdeckung des Phasenversatz-Dispersionsraums im Vergleich zu Metaeinheiten führt, die nur im PMMA-Lack eingebettet sind. Teilweise eingebettete Metaeinheiten können insgesamt höhere Strukturen ermöglichen, was zu einer größeren Abdeckung im Phasenversatz-Dispersionsraum führt als die vollständige Entfernung des Lacks.
zeigt ein Beispiel für den Herstellungsablauf von pilzförmigen TiO₂-Metaeinheiten (lila) 4200 für Metaoberflächenlinsen. Ein einzelnes Elektronenstrahl-Schreibverfahren kann mit zwei Elektronenstrahl-lackschichten verwendet werden, die orthogonale Entwicklungschemikalien bieten. Bei 4201 wird eine Doppelschicht aus Elektronenstrahllacks aus PMMA 950k und ZEP rotationsbeschichtet. Bei 4202 wird eine binäre Elektronenstrahlbelichtung auf zwei Bereiche unterschiedlicher Größe mit unterschiedlichen Dosen angewendet. Bei 4203 wird ein Teil des Elektronenstrahllacks unter Verwendung von MIBK und IPA entfernt. Bei 4204 wird TiO₂ abgelagert und die Oberfläche der Vorrichtung wird planarisiert. Bei 4205 wird ZEP chemisch entfernt. In einigen Ausführungsformen kann ein Entwicklerverhältnis von MIBK / IPA 1: 3 sein, wobei die obere Schicht (ZEP) mit einer niedrigeren Dosierung entwickelt werden kann, als es für die untere Schicht (PMMA) erforderlich ist. Dies kann die Herstellung einer 3D-Form in einem einzigen lithografischen Prozess mit variablen Querschnitten in jeder Schicht ermöglichen (so eingeschränkt, dass der Querschnitt der oberen Schicht größer als der Querschnitt der unteren Schicht ist).
43 zeigt einen beispielhaften Herstellungsablauf von TiO₂ -Meta-Einheiten mit variabler Höhe in einem einzigen lithografischen Verfahren. Bei 4301 wird ein Quarzsubstrat bereitgestellt. Bei 4302 wird eine einzelne Schicht aus Elektronenstrahllack-PMMA rotationsbeschichtet und die Schicht gebrannt. Bei 4303 wird eine Prozedur unter Verwendung einer Elektronenstrahlbelichtung des Linsenstrukturs der Metaoberfläche verwendet. Bei 4304 wird ein Entwicklungsprozess in IPA / entionisiertem Wasser verwendet, um belichteten Elektronenlack zu entfernen. Bei 4305 wird eine TiO₂ -Schicht unter Verwendung von Atomlagenabscheidung (ALD) abgelagert. Weitere Ablagerungen von TiO₂ und eine Planarisierung der Oberfläche der Vorrichtung ergeben sich in 4306. Das lithografische „Graustufen“ -Verfahren kann angewendet werden, um eine Lackform (in diesem Fall PMMA) mit variabler Tiefe zu erzielen. Dies kann den vertikalen Freiheitsgrad auf ähnliche Weise zu denen in 42 gezeigten pilzförmigen Metaeinheiten ermöglichen.
44 zeigt einen beispielhaften Herstellungsablauf von TiO₂ -Meta-Einheiten unter Verwendung von elektronenstrahlempfindlichem TiO₂ -Sol-Gel. Bei 4401 wird ein Quarzsubstrat bereitgestellt. Als nächstes wird 4402 eine einzelne Schicht von TiO₂ - Solgel rotationsbeschichtet und gebrannt. Bei 4403 wird eine Prozedur unter Verwendung einer Elektronenstrahlbelichtung der Metaoberflächenlinsen verwendet. Bei 4404 wird ein Entwicklungsprozess in Aceton / IPA verwendet. Bei 4405 wird die Vorrichtung geglüht, um organische Komponenten zu entfernen. Das Sol-Gel kann sich wie ein negativer Lack verhalten, wobei die mit Elektronenstrahlen belichteten Bereiche in Aceton unlöslich werden. Das Glühen nach der Entwicklung kann zur Bildung von TiO₂-Nanostrukturen führen. Der Glühvorgang kann zu einer Schrumpfung der Nanostruktur durch Verdampfung organischer Chemikalien führen. Bei diesem Herstellungsprozess kann eine Abscheidung oder ein Ätzen vermieden werden.
In einigen Ausführungsformen kann ein elektronenstrahlempfindliches TiO₂ -Sol-Gel synthetisiert werden, indem das äquimolare Verhältnis des Metallalkoxidvorläufers Titan (IV) n-Butoxid Ti (OBun) 4 mit β-Diketon 1-Benzoylaceton (BzAc) in Ethanol-Lösungsmittel bei Raumtemperatur und niedrige Luftfeuchtigkeit gemischt wird. BzAc kann Ti (OBuⁿ)₄ stabilisieren, wobei es seine hydrolytische Reaktivität verringert wird und mit ihm Chelatringe bildet werden. Wenn die Chelatringe durch Bestrahlung mit Elektronen brechen, kann das Sol-Gel gegenüber organischen Lösungsmitteln wie Aceton unlöslich werden. Die resultierenden Sol-Gel-Nanostrukturen können durch Glühe im Temperaturbereich von 300° bis 500 ° C in reines TiO₂ umgewandelt werden. Bei anderen Synthesemethoden kann der vorherigen Lösung Eisessig zugesetzt werden, um Ausfällungen während des Alterungsprozesses zu vermeiden.
45 zeigt ein REM-Bild einer beispielhaft hergestellten TiO₂ -Meta-Einheit, die auf dem direkten Elektronenstrahlschreiben von TiO₂ -Sol-Gel basiert. Auf einem Siliziumsubstrat wurden kreuzförmige Strukturen mit 2 µm Armen und 2 µm Periode hergestellt. Dieses Bild wurde am 30. April 2017 um 14:59:17 Uhr mit den folgenden Werten aufgenommen: HV = 10,00 kV; Punkt = 2,0; det = TLD; Modus = SE; mag = 20.000 x; 6,35 µm; WD = 5,1 mm.
zeigt ein REM-Bild von hergestellten TiO2-Metaeinheiten, die auf dem direkten Elektronenstrahlschreiben von TiO2-Sol-Gel basieren. Kreuzförmige Strukturen mit 2 µm Armen und 2 µm Periode wurden auf einem Siliziumsubstrat hergestellt, betrachtet bei 30 °. Dieses Bild wurde am 30. April 2017 um 15:20:13 Uhr mit den folgenden Werten aufgenommen: HV = 10,00 kV; Punkt = 2,0; det = TLD; Modus = SE; mag = 20.000 x; 6,35 um; und WD = 5,3 mm.
zeigt ein REM-Bild von hergestellten TiO₂-Metaeinheiten, die auf dem direkten Elektronenstrahlschreiben von TiO₂-Sol-Gel basieren. Jede Meta-Unit ist ein eigenes Element unserer Metaeinheitssammlung. Dieses Bild wurde am 11. Mai 2017 um 19:02:36 Uhr mit den folgenden Werten aufgenommen: EHT = 15.00 kV; Signal A = InLens; WD = 3,1 mm; Mag = 20,01 K X; Vak Status = Bereit; Pistolenvakuum = 7,53e-010 mbar; und Systemvakuum = 3,14e-006 mbar.
Eingeschränkt kann der Aufbau 4800 eine NIR-Kamera 4801, eine Iris 4802, eine Rohrlinse 4803, einen Klappspiegel 4804, eine Linse 4805 und einen Leistungsmessgerät 4806 umfassen, die alle auf einer motorisierten Bühne 4807 montiert sind. Eine Metalinse 4808 und eine Faserkoppler 4809 können ebenfalls enthalten sein. In einigen Ausführungsformen nimmt die NIR-Kamera 4801 Licht auf, das zuerst durch den Faserkoppler 4809, dann durch die Metalinse 4808, dann durch die Rohrlinse 4803 und schließlich durch die Iris 4802 hindurchtreten muss. In manchen Ausführungsformen ermöglicht ein Klappspiegel 4804 das Weiterleiten des Lichts von einer Linse 4805 zu einem Leistungsmessgerät 4806 für Wirkungsgradmessungen.
Die Beschreibung hierin veranschaulicht lediglich die Prinzipien des offenbarten Gegenstands. Verschiedene Modifikationen und Änderungen an den beschriebenen Ausführungsformen sind für den Fachmann angesichts der hierin enthaltenen Lehren offensichtlich. Dementsprechend soll die Offenbarung hierin den Umfang des offenbarten Gegenstands veranschaulichen, aber nicht einschränken.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

HR 00111720017 [0002]

Claims

Im Wesentlichen flache optische Komponente als Linse für einfallende elektromagnetischer Strahlung mit mindestens einer Wellenlänge und einer ersten Phase in ausfallende elektromagnetische Strahlung mit einer zweiten Phase, umfassend: ein Substrat; und mindestens eine mit dem Substrat gekoppelte Metaoberfläche, die mehrere optische Metaeinheiten umfasst, um mindestens die erste Phase in die zweite Phase zu umzuwandeln; wobei jede optische Metaeinheit der Mehrzahl von optischen Metaeinheiten in einem Abstand positioniert ist, der kleiner als die Wellenlänge von mindestens einer anderen optischen Metaeinheit ist.
Ein System nach Anspruch 1, wobei jede der mehreren Metaeinheiten eine Metaeinheit mit einer Form zum beugenden Streuen der elektromagnetischen Strahlung umfasst.
Ein System nach Anspruch 2, wobei die Form eine Musterform umfasst, die einen oder mehrere variierende geometrische Parameter haben.
Ein System nach Anspruch 2, wobei jede der Vielzahl von Metaeinheiten konfiguriert ist, um einen Bereich von optischem Phasenversatz und Phasenstreuung für eine achromatische Breitband-Metaoberflächenlinse bereitzustellen.
Ein System nach Anspruch 2, wobei jede der mehreren Metaeinheiten so konfiguriert ist, dass sie einen Streuamplitudenbereich für eine achromatische Breitband-Metaoberflächenlinse bereitstellt.
Ein System nach Anspruch 1, wobei jede der mehreren Metaeinheiten ein dielektrisches Material umfasst.
Ein System nach Anspruch 6, wobei das dielektrische Material ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Silizium, Siliziumnitrid, Galliumnitrid und Titandioxid.
Ein System nach Anspruch 1, wobei die wenigstens eine Metaoberfläche zwei oder mehr Metaoberflächen umfasst.
Ein System nach Anspruch 8, wobei die zwei oder mehrere Metaoberflächen angepasst sind, um monochromatische Abbildungsfehler zu korrigieren.
Ein System nach Anspruch 1, wobei die wenigstens eine Metaoberfläche eine erste und zweite Schicht umfasst.
Ein System nach Anspruch 10, wobei die erste Schicht eine erste Geometrie und ein erstes Material umfasst, und die zweite Schicht eine zweite Geometrie und / oder ein zweites Material umfasst.
Ein System nach Anspruch 1, wobei die wenigstens eine Metaoberfläche durch eine variierende Dicke gekennzeichnet ist.
Verfahren zum Herstellen einer im Wesentlichen flachen optischen Komponente als Linse für einfallende elektromagnetischer Strahlung mit mindestens einer Wellenlänge und einer ersten Phase in ausfallende elektromagnetische Strahlung mit einer zweiten Phase, umfassend: Positionieren eines Substrats; und Ausbilden mindestens einer Metaoberfläche auf dem Substrat, die mehrere optische Metaeinheiten umfasst, um mindestens die erste Phase in die zweite Phase umzuwandeln; wobei jede optische Metaeinheit der Mehrzahl von optischen Metaeinheiten in einem Abstand positioniert ist, der kleiner als die Wellenlänge von mindestens einer anderen optischen Metaeinheit ist.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Ausbilden ein Ausbilden einer Substratschicht und einer strukturierten Filmschicht darauf umfasst, wobei die Filmschicht eine Dicke zwischen 100 und 100 000 nm hat.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Strukturierung aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus der Verwendung von Elektronenstrahllithographie, Fotolithographie, tiefer Ultraviolett-Lithographie und Prägelithographie besteht.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Ausbildung das Aufschichten von zwei oder mehreren strukturierten Filmschichten umfasst.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Metaeinheiten ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Silizium, Siliziumnitrid, Galliumnitrid oder Titandioxid.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Ausbildung das teilweise Einbetten der Metaeinheiten im Substrat umfasst.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Metaeinheit Metaeinheiten umfasst, die variierende Formen entlang wenigstens einer Höhenrichtung haben.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Metaeinheiten in Höhe variieren.