DE112018002811T5

DE112018002811T5 - Planare achromatische und dispersionsspezifische meta-oberflächen im sichtbaren spektrum

Info

Publication number: DE112018002811T5
Application number: DE112018002811.9T
Authority: DE
Inventors: Wei Ting Chen; Vyshakh Sanjeev; Alexander Yutong Zhu; Mohammadreza Khorasaninejad; Zhujun SHI; Federico Capasso
Original assignee: Harvard College
Current assignee: Harvard College
Priority date: 2017-06-02
Filing date: 2018-05-31
Publication date: 2020-02-13
Also published as: TW201908232A; WO2018222944A1; US20210149082A1; GB201917972D0; GB2578233A

Abstract

Eine optische Vorrichtung umfasst eine Meta-Oberfläche mit einer Vielzahl von Nanostrukturen. Die Nanostrukturen definieren ein Phasenprofil und ein Gruppenverzögerungsprofil bei einer Designwellenlänge. Das Phasenprofil und das Gruppenverzögerungsprofil bestimmen und steuern die Funktionalitäten und die chromatische Dispersion der Meta-Oberfläche.

Description

BEZUGNAHME AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der am 2. Juni 2017 eingereichten U.S. Provisional Patent Application 62/514,614 , die hierin durch Verweis in ihrer Gesamtheit aufgenommen wird.
ERKLÄRUNG BEZÜGLICH STAATLICH GEFÖRDERTER FORSCHUNG ODER ENTWICKLUNG
Diese Erfindung wurde mit staatlicher Unterstützung unter FA9550-14-1-0389 und FA9550-16-1-0156 gemacht, verliehen vom Luftwaffenbüro für wissenschaftliche Forschung. Die Regierung hat bestimmte Rechte an der Erfindung.
HINTERGRUND
Konventionelle refraktive optische Komponenten wie Prismen und Linsen werden durch Glaspolieren hergestellt. Zu den Nachteilen gehören sperrige Größen, hohe Fertigungskosten und begrenzte Fertigungspräzisionen, die den Einsatz der optischen Komponenten in verschiedenen Anwendungen verhindern, insbesondere bei tragbaren Systemen und konformen oder tragbaren Geräten. Mit Hilfe von diffraktiven oder Metaoberflächen-Elementen werden kompakte, leistungsstarke und skalierbare optische Komponenten realisiert. Die Leistung dieser diffraktiven oder Metaoberflächen-Elemente leidet jedoch häufig unter chromatischen Aberrationen: Dies ist die unerwünschte Streuung des Lichts, da es nicht gelingt, Licht unterschiedlicher Farbe auf einen gewünschten Lichtweg oder auf einen einzelnen Konvergenzpunkt zu fokussieren. So können sich beispielsweise chromatische Aberrationen als Farbsäume entlang von Grenzen manifestieren, die dunkle und helle Teile eines Bildes trennen.
ZUSAMMENFASSUNG
Gemäß zumindest einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung können achromatische oder dispersionsspezifische Vorrichtungen in Transmissionskonfiguration (z.B. ein achromatischer Strahldeflektor und/oder eine achromatische Linse) durch gleichzeitiges Steuern der Phasen- und Gruppenlaufzeit erreicht werden. Die Vorrichtungen können eine große kontinuierliche Bandbreite in einem sichtbaren Spektrum aufweisen. Kompakte und planare transmissive Meta-Linsen mit maßgeschneiderten Abbe-Zahlen, von negativen bis positiven Werten, können realisiert werden. So kann beispielsweise eine achromatische Meta-Linse (mit numerischer Apertur (NA) von z.B. 0,2) über eine bei 530 nm zentrierte 120 nm Bandbreite erreicht werden. Diese Vorrichtungen können durch Zwei-Photopolymerisation und/oder Multi-Lithographie-Verfahren hergestellt werden, um die Nachteile und Herausforderungen der Linsenpoliertechnologie zu überwinden. Darüber hinaus kann durch Kaskadierung einer weiteren Schicht achromatischer Meta-Oberfläche eine fehlerfreie Meta-Linse realisiert werden, die z.B. in der Lithographie, Mikroskopie, Spektroskopie und Endoskopie eingesetzt werden kann.
Der hierin verwendete Begriff „sichtbares Spektrum“ bezieht sich auf Wellenlängen, die für den Menschen sichtbar sind. Der Begriff umfasst einen ganzen Bereich von Wellenlängen, die in der gesamten menschlichen Bevölkerung sichtbar sind. Es versteht sich jedoch, dass dieser Bereich zwischen einzelnen Menschen variiert. So kann beispielsweise das sichtbare Spektrum Wellenlängen von etwa 400 nm bis etwa 700 nm umfassen. Darüber hinaus können die hierin beschriebenen Meta-Linsen für bestimmte Teilbereiche des sichtbaren Spektrums oder für bestimmte Bereiche außerhalb des sichtbaren Spektrums (z.B. Infrarot (IR) oder Nahinfrarot (NIR) Spektren) optimiert werden.
Figurenliste
Zum besseren Verständnis des Wesens und der Gegenstände einiger Ausführungsformen dieser Erfindung wird auf die folgende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen verwiesen.

1A zeigt schematische Darstellungen des chromatischen Effekts in der refraktiven und diffraktiven Optik sowie einen achromatischen Meta-Oberflächenstrahldeflektor.
1B zeigt schematische Darstellungen des chromatischen Effekts in der refraktiven und diffraktiven Optik sowie einen achromatischen Meta-Oberflächenstrahldeflektor.
1C zeigt schematische Darstellungen des chromatischen Effekts in der refraktiven und diffraktiven Optik sowie einen achromatischen Meta-Oberflächenstrahldeflektor.
2A veranschaulicht Simulationen der optischen Eigenschaften von Nanostrukturen.
2B veranschaulicht Simulationen der optischen Eigenschaften von Nanostrukturen.
2C veranschaulicht Simulationen optischer Eigenschaften von Nanostrukturen.
3A veranschaulicht schematisch einen Strahldeflektor mit Steuerung der Gruppenlaufzeit.
3B veranschaulicht schematisch einen Strahldeflektor ohne Steuerung der Gruppenlaufzeit.
3C veranschaulicht absolute Strahlablenkungswirkungsgrade und Ablenkwinkel als Funktion der Wellenlängen für den Strahldeflektor von 3A.
3D veranschaulicht absolute Strahlablenkungswirkungsgrade und Ablenkwinkel als Funktion der Wellenlängen für den Strahldeflektor von 3B.
4A veranschaulicht Gruppenverzögerungen als Funktion der radialen Linsenkoordinate.
4B veranschaulicht Gruppenverzögerungsdispersionen als Funktion der radialen Linsenkoordinate.
5A veranschaulicht simulierte Punktverteilungsfunktionen von Meta-Linsen mit der Ordnung n = 0, wobei die Brennweite F = k · wⁿ (k und w sind eine Konstante und die Winkelfrequenz des Lichts).
5B veranschaulicht simulierte Punktverteilungsfunktionen von Meta-Linsen mit der Ordnung n = 1, wobei die Brennweite F = k . wⁿ (k und w sind eine Konstante und die Winkelfrequenz des Lichts).
5C veranschaulicht simulierte Punktverteilungsfunktionen von Meta-Linsen mit der Ordnung n = 2, wobei die Brennweite F = k . wⁿ (k und w sind eine Konstante und die Winkelfrequenz des Lichts).
6 veranschaulicht normierte Brennweitenverschiebungen als Wellenlängenfunktionen für verschiedene Meta-Linsen von 450 nm bis 700 nm, entsprechend den in den 5A-5C dargestellten Meta-Linsen, zusammen mit einer Meta-Linse, die eine umgekehrte Brennweitenverschiebung aufweist (Ordnung n = -1).

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Konventionelle Bildverarbeitungsgeräte beinhalten mehrere konventionelle Linsen, die sperrig und teuer sind. Die sperrigen und teuren Verbundlinsen begrenzen die Art der Anwendungen, die mit solchen konventionellen Bildverarbeitungsgeräten realisiert werden können, und behindern deren Integration in kompakte und kostengünstige Systeme.
Meta-Oberflächen wurden als Mittel zur Steuerung von Licht durch optische Eigenschaften von Strukturen im Subwellenlängen- oder Wellenlängenbereich, die auf einer ebenen Oberfläche strukturiert sind, entwickelt. Die Subwellenlängen- oder Wellenlängenskalenstrukturen sind für die lokale Änderung der Amplituden, Polarisationen und/oder Phasen einfallender Lichtstrahlen ausgelegt, um verschiedene optische Vorrichtungen in einer kompakten Konfiguration zu realisieren. Die Meta-Oberflächen bieten eine vielseitige Plattform zur lokalen Modulation der Phase einer einfallenden Wellenfront. Die Meta-Oberflächen können in verschiedenen kompakten optischen Elementen verwendet werden, z.B. Linsen, Polarimeter, Axicone, Hologramme, etc. Auch wenn die Meta-Oberflächen schwach dispersive Materialien (z.B. Metalle oder Dielektrika) beinhalten können, können die optischen Komponenten mit Meta-Oberflächen und/oder diffraktiver Optik dennoch hoch chromatisch sein. Mit anderen Worten, die optischen Komponenten können an chromatischen Aberrationen leiden.
Wenigstens einige Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beschreiben einen Ansatz zur Lösung des Problems der chromatischen Aberration. Verschiedene achromatische oder sogar dispersionsspezifische optische Vorrichtungen in der Übertragung können durch die unabhängige Gestaltung von Phasenprofil und Gruppenlaufzeit realisiert werden. Die Vorrichtungen können eine einzelne Schicht (oder mehrere Schichten) planarer Nanostrukturen mit Dicken im oder um den Wellenlängenbereich verwenden. Die achromatischen optischen Vorrichtungen können z.B. Strahldeflektor und Linsen mit beugungsbegrenzter Fokussierbarkeit innerhalb einer großen kontinuierlichen Bandbreite (z.B. mehr als etwa 120 Nanometer (nm)) sein. Im Gegensatz zu herkömmlichen Vorrichtungen, die mit mehreren diskreten Wellenlängen oder einer relativ schmalen Bandbreite arbeiten, können die offenbarten optischen Vorrichtungen als eine Vielzahl von kompakten achromatischen und dispersionsspezifischen Elementen realisiert werden.
Gemäß zumindest einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung wird die Gruppenlaufzeit angepasst, während gleichzeitig und unabhängig die Phasenmaske von 0 bis 2π variiert wird. So können achromatische optische Elemente einschließlich Meta-Oberflächen in der Übertragungskonfiguration z.B. in einem sichtbaren Spektrum erreicht werden. In einigen Ausführungsformen kann beispielsweise eine achromatische Meta-Linse mit einer numerischen Apertur NA = etwa 0,2 bei etwa 530 nm mit einer vernachlässigbaren Brennweitenverschiebung über eine kontinuierliche Bandbreite von etwa 120 Nanometern erreicht werden. Darüber hinaus kann die Dispersion auch angepasst werden, was zu abstimmbaren äquivalenten Abbe-Zahlen führt.
1A, 1B, 1C und 1D zeigen schematische Darstellungen des chromatischen Effekts in der refraktiven und diffraktiven Optik sowie einen achromatischen Meta-Oberflächenstrahldeflektor. 1A zeigt ein herkömmliches Glasprisma. Es wird angenommen, dass das Glasprisma einen konstanten Brechungsindex aufweist. Wie in 1A dargestellt, wird ein breitbandiger chromatischer Strahl vom Prisma um einen Winkel abgelenkt. 1B zeigt ein diffraktives Gegenstück zum Prisma von 1A, das eine optische Komponente sein kann, die eine Gruppe von zusammengefügten kleinen Prismen beinhaltet. Beim Zusammenfügen der Prismen zeigt die optische Komponente eine starke Dispersion. Ein Beispiel für die optische Komponente kann z.B. eine Mikrospiegelanordnung sein.
Das Inset von 1B ist eine vergrößerte Ansicht eines Lichtstrahls mit einer gegebenen grünen Wellenlänge λg, der in einen Winkel θ gebeugt wird. Die Beugung kann bestimmt werden durch: $Λ \cdot sin (θ) = m λ_{g}$
wobei Λ die Periodizität der Gruppe oder des Arrays ist und m eine ganze Zahl ist. Die optische Wegdifferenz zwischen den beiden grünen Strahlen kann gleich einer ganzen Zahl sein, multipliziert mit Λ·sin(θ). Nach Gl. (1) kann sich ein anderes Licht mit einer anderen Wellenlänge λ_g + δλ nicht in den gleichen Winkel ausbreiten und breitet sich aufgrund der Zunahme der Wellenlänge in einen größeren Winkel aus. Dies führt im Vergleich zu refraktiven Optiken zu einer starken negativen Dispersion. Die starke Dispersion lässt sich auch daraus verstehen, dass eine konstante Wellenzahl aus der Periodizität $(\frac{1}{Λ})$
auf verschiedene Wellenlängen des einfallenden Lichts angewendet wird, die verschiedenen Wellenzahlen $(\frac{1}{λ})$
entsprechen. Somit breiten sich Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge in verschiedenen Winkeln aus. Die in 2B dargestellte Dispersion wird als Gitterdispersion bezeichnet, die durch die offenbarten achromatischen oder dispersionsspezifischen Vorrichtungen vermieden werden kann.
Achromatische Metaoberflächen
1C zeigt einen achromatischen Meta-Oberflächenstrahldeflektor mit einer Anordnung von Nanostrukturen auf einem Substrat. So kann beispielsweise der Deflektor eine oder mehrere Gruppen (z.B. Paare) von einer oder mehreren TiO₂-Nanofinnen unterschiedlicher Abmessungen (in Bezug auf Länge l und Breite w oder in Bezug auf die Querschnittsfläche), aber im Wesentlichen gleicher Höhe h beinhalten. Die Nanostrukturen (z.B. Nanofinnen) können gleichmäßig um einen Abstand p beabstandet sein. In einigen Ausführungsformen können h und p Werte von etwa 600 nm und etwa 400 nm haben. Die Definition von Länge l, Breite w, Höhe h und Drehwinkel ist in 1C dargestellt. In einigen Ausführungsformen sind zur Vermeidung von Gitterausbreitung keine zwei Gruppen von Nanofinnen über die Meta-Oberfläche identisch, wobei die Länge l, die Breite w und der Drehwinkel über die Gruppen von Nanofinnen unterschiedlich sind. Das Substrat kann z.B. ein Glassubstrat (z.B. Siliziumdioxid (SiO₂)) sein. In einigen Ausführungsformen können die Nanostrukturen zusätzlich oder alternativ zu TiO₂ andere geeignete dielektrische Materialien beinhalten, einschließlich solcher mit einer Lichtdurchlässigkeit über eine Designwellenlänge oder einem Bereich von Designwellenlängen von mindestens 40%, mindestens 50%, mindestens 60%, mindestens 70%, mindestens 80%, mindestens 80%, mindestens 85%, mindestens 90% oder mindestens 95%. So können beispielsweise andere geeignete dielektrische Materialien ausgewählt werden aus Oxiden (z.B. ein Oxid von Aluminium (z.B. Al₂O₃), Silizium (z.B. SiO₂), Hafnium (z.B. HfO₂), Zink (z.B, ZnO), Magnesium (z.B. MgO) oder Titan (z.B. TiO₂)), Nitride (z.B. Nitride von Silizium (z.B. Si₃N4), Bor (z.B. BN) oder Wolfram (z.B. WN)), Sulfide und reine Elemente. In einigen Ausführungsformen weist ein Querschnitt jeder Nanostruktur eine zweifache Symmetrie auf, wie beispielsweise rechteckig oder elliptisch.
Um einen chromatischen Strahl bei normalem Einfall in einen festen Winkel θ abzulenken, kann die Phase der Nanostrukturen folgen: $φ (x, ω) = - \frac{ω}{c} x sin (θ)$
wobei x, ω und c die Raumkoordinate, die Winkelfrequenz bzw. die Lichtgeschwindigkeit sind. Gl. (2) zeigt, dass die Phasen, die von der Nanostruktur an einer gegebenen Position x bereitgestellt werden, proportional zur Kreisfrequenz für eine achromatische Vorrichtung sind. Gl. (2) kann bei einer Winkelfrequenz ω₀ wie folgt erweitert werden: $φ (x, ω) = - \frac{ω_{0}}{c} x sin (θ) + \frac{d φ (x, ω)}{d ω} (ω - ω_{0})$
In einigen Ausführungsformen können herkömmliche diffraktive Optiken oder Meta-Oberflächen die Anforderung des ersten Terms von Gl. (3) erfüllen. Die herkömmlichen diffraktiven Optiken oder Meta-Oberflächen erfüllen nicht den zweiten Term, der mit einer Gruppenverzögerung verbunden ist und zum chromatischen Effekt führt. Die Ableitung von Gl. 2 in Bezug auf die Winkelfrequenz führt zu einer Gruppenlaufzeit bei einer gegebenen Koordinate x als: Gruppenlaufzeit: $\frac{d φ (x, ω)}{d ω} = - \frac{x sin (θ)}{c}$
Mit anderen Worten, die Gruppenlaufzeit kann als partielle Ableitung der Phase φ(x,ω) in Bezug auf die Kreisfrequenz definiert werden, da x unabhängig von der Kreisfrequenz ω ist. In einigen Ausführungsformen kann in Gl. (4) für alle Winkelfrequenzen eine Konstante hinzugefügt werden, da die Addition der Konstante die Ableitung ∂φ/∂x, die den Ablenkwinkel nach dem verallgemeinerten Snell'schen Gesetz bestimmt, nicht verändert. Die Freiheit, eine Konstante hinzuzufügen, ermöglicht die Auswahl von Strukturen, die die Bedingung der relativen Gruppenverzögerung erfüllen. In einigen Ausführungsformen kann der Bereich der Gruppenlaufzeit, der durch alle möglichen geometrischen Parameter (innerhalb der Herstellungsgrenzen) der Nanostrukturen bereitgestellt wird, der begrenzende Faktor für die Gesamtgröße einer Vorrichtung sein.
Da der Absolutwert von Gl. (4) eine monotone zunehmende Funktion von x ist, dürfen in einigen Ausführungsformen keine zwei Bestandteile von Nanostrukturen über die achromatische Meta-Oberfläche gleich sein. Somit können sowohl die Phasen- als auch die Gruppenlaufzeit gleichzeitig erfüllt werden. In einigen Ausführungsformen kann die offenbarte optische Komponente die Phase und die Gruppenlaufzeit unabhängig voneinander steuern. Mit anderen Worten, für eine beliebige Phase kann die offenbarte optische Komponente noch eine Gruppenlaufzeit erreichen, die Gleichung (4) erfüllt.
Unabhängige Kontrolle der Phasen- und Gruppenlaufzeit
In einigen Ausführungsformen kann eine Meta-Oberfläche Nanostrukturen (z.B. rechteckige TiO2-Nanofinnen) beinhalten, um die Phase und die Gruppenlaufzeit unabhängig voneinander zu steuern. Die Nanostrukturen können Nanostrukturen mit hohem Seitenverhältnis sein, die z.B. durch Elektronenstrahllithographie mit anschließender Atomschichtabscheidung realisiert werden. Wenn beispielsweise ein linksseitiger zirkular polarisierter Strahl ([1 i]') durch eine Nanofinne verläuft, kann das transmittierte Licht durch einen Jones-Vektor beschrieben werden: $\frac{{\tilde{t}}_{L} + {\tilde{t}}_{S}}{2} [\begin{matrix} 1 \\ i \end{matrix}] + \frac{{\tilde{t}}_{L} - {\tilde{t}}_{S}}{2} \cdot exp (i 2 α) [\begin{matrix} 1 \\ - i \end{matrix}]$
wobei das Symbol „∼“ für komplexe Zahl steht, t̃_L und t̃_S jeweils transmittiertes Licht darstellt, wenn das einfallende Licht entlang der langen und kurzen Achse der Nanofinne polarisiert ist, und α der Drehwinkel der Nanofinne in Bezug auf die x-Achse ist. Der zweite Begriff in Gl. (5) zeigt, dass ein Teil des einfallenden Lichts in einen orthogonalen Polarisationszustand ([1 -i]') umgewandelt werden kann. Die quadratisch normierte Amplitude des Term kann als Polarisationsumwandlungswirkungsgrad bezeichnet werden. Die Phase, die die Nanostruktur liefert, kann durch das Produkt (t̃_L - t̃_S) · exp(i2α) bestimmt werden, während die Gruppenverzögerung $\frac{d φ}{d ω}$
auf t̃_L -t̃_S bezogen ist, da α frequenzunabhängig ist. Dieser zusätzliche Freiheitsgrad ermöglicht die Entkopplung von Phase und Gruppenlaufzeit. So können beispielsweise die Abmessungen der Nanostrukturen so ausgelegt werden, dass sie der Gruppenlaufzeit entsprechen, und dann werden die Drehwinkel α der Nanostrukturen so angepasst, dass sie dem Phasenprofil für jede Stelle auf der achromatischen Vorrichtung entsprechen.
In einigen Ausführungsformen hängen die übertragenen elektromagnetischen Wellen t̃_L und t̃_S von der Nanostruktur ab (z.B. TiO₂ Nanofinne). In einigen Ausführungsformen kann jede TiO₂-Säule der Nanostruktur ein verkürzter Wellenleiter sein, der als reiner Phasenschieber (t̃ = e^iφ) fungiert. Die Phase der übertragenen elektromagnetischen Welle einer Nanofinne bei einer gegebenen Koordinate x kann bestimmt werden durch: $φ (x, ω) = \frac{ω}{c} n_{e f f} h$
wobei neff und h den effektiven Index bzw. die Höhe der Nanofinne darstellen.
Die 2A-2C veranschaulichen Simulationen optischer Eigenschaften von Nanostrukturen. 2A veranschaulicht Simulationen von Polarisationskonversionswirkungsgraden für die Längen verschiedener Nanofinnen aus der Finite-Difference Time Domain (FDTD)-Methode (durchgezogene Linien) und der Moduslösung (gestrichelte Linien). In einigen Ausführungsformen sind die Längen der Nanofinnen in der Legende dargestellt. Die Nanofinnen haben eine konstante Breite w = 80 nm. 2B veranschaulicht die Simulation von Phasen als Funktionen von Drehwinkeln für eine Nanofinne. In einigen Ausführungsformen hat die Nanofinne eine Länge I = etwa 250 nm und eine Breite w = etwa 80 nm. 2C veranschaulicht Simulationen von Polarisationskonversionswirkungsgraden und Gruppenverzögerungen bei einer Wellenlänge (von z.B. etwa 500 nm) für verschiedene Parameter der Nanofinnen. Die Gruppenverzögerungen können z.B. durch lineare Anpassung an jedes Phasendiagramm der Nanofinnen innerhalb einer Bandbreite von etwa 100 nm bei etwa 500 nm erreicht werden. Wie in 2A-2C gezeigt, sind die Größen (in nm) von Nanofinnen der Einheiten eins bis sieben etwa (w1 = 70, I1 = 90, w2 = 130, I2 = 310), (w1 = 70, I1 = 50, w2 = 110, I2 = 310), (w1 = 50, I1 = 90, w2 = 110, I2 = 210), (w1 = 50, I1 = 190, w2 = 90, I2 = 290), (w = 90, I = 190), (w = 210, I = 110) und (w1 = 50, I1 = 290, w2 = 70, I2 = 110). Der Abstand zwischen zwei Nanofinnen kann etwa 60 nm betragen.
2A zeigt einen Vergleich des Polarisationskonversionswirkungsgrads unter Verwendung der effektiven Indexmethode im Vergleich zur Finite-Differenz-Zeitdomänen-Methode (FDTD). Die beiden Methoden sind qualitativ gut aufeinander abgestimmt. Die große Abweichung bei hohen Frequenzen resultiert aus der Anregung von Moden höherer Ordnung und den Resonanzen der Nanofinne. Die Ableitung von Gl. (6) in Bezug auf die Kreisfrequenz ist: $\frac{d φ (x, ω)}{d ω} = \frac{h}{c} n_{e f f} + \frac{h \cdot ω}{c} \frac{d n_{e f f}}{d ω}$
Die Ableitung liefert die Gruppenlaufzeit, die durch die Höhe h und die neff der Nanofinne gesteuert werden kann. Der effektive Index neff kann z.B. durch die geometrischen Parameter (z.B. Länge I und Breite w der TiO₂ Nanofinne) eingestellt werden.
2B zeigt ein Phasendiagramm als Funktion der Frequenz für eine Nanofinne mit I = 250 nm und w = 80 nm mit unterschiedlichen Rotationen. Die Steigung ist innerhalb einer Bandbreite quasilinear und unabhängig vom Drehwinkel jeder Nanofinne. Diese Freiheit ermöglicht es, achromatische Meta-Oberflächenvorrichtungen mit einer großen Bandbreite zu entwickeln. 2C zeigt die Gruppenverzögerungen und Polarisationskonversionswirkungsgrade verschiedener Nanofinnen bei einer Wellenlänge λ= etwa 500 nm.
Achromatische und dispersive optische Komponenten
3A und 3B veranschaulichen schematisch zwei Strahldeflektoren mit bzw. ohne Gruppenlaufzeitregelung. In einigen Ausführungsformen ist der Strahldeflektor bei etwa 500 nm mit einem Ablenkwinkel von etwa 10° ausgelegt. In 3B haben die Elementarzellen die gleiche, konstante Gruppenlaufzeit. Im Gegensatz dazu weisen die Elementarzellen von 3A Gruppenverzögerungen auf, die mit der Raumkoordinate stark linear variieren.
3C veranschaulicht absolute Strahlablenkungswirkungsgrade und -winkel als Funktion der Wellenlängen für den Strahldeflektor von 3A. 3D veranschaulicht die absoluten Strahlablenkungsgrade und -winkel als Wellenlängenfunktionen für den Strahldeflektor von 3B. Die absoluten Wirkungsgrade können berechnet werden durch die Leistung des Strahls im gewünschten Winkel dividiert durch die Leistung des einfallenden Lichts bei linksseitiger zirkulärer Polarisation. Die Ablenkwinkel in 3C können um den Designwinkel 10° von 400 nm bis 600 nm mit einem hohen Ablenkwirkungsgrad beibehalten werden. In Ausführungsformen, wie in 3B dargestellt, ändert sich der Ablenkwinkel entsprechend der Gitterformel signifikant: $θ = {sin}^{- 1} (\frac{λ}{λ_{d}} \cdot sin (10 °)),$
wobei die Designwellenlänge λ_d = 500 nm ist.
In einigen Ausführungsformen kann dieser Ansatz verwendet werden, um andere Arten von achromatischen oder dispersionsgerechten Meta-Linsen zu realisieren. Um beispielsweise eine unendlich konjugierte Meta-Linse zu entwerfen, die das Licht bei normalem Einfall fokussieren kann, können die Nanofinnen folgendes Phasenprofil implementieren: $φ (r, ω) = - \frac{ω}{c} (\sqrt{r^{2} + F^{2}} - F)$
wobei r und F radiale Koordinaten bzw. Brennweite sind. Die Brennweite kann verallgemeinert werden als: $F = k \times ω^{n}$
wobei k eine positive Konstante sein kann und n eine reelle Zahl sein kann, die die chromatische Dispersion einer Meta-Linse steuert. In einigen Ausführungsformen hat die Meta-Linse eine maßgeschneiderte äquivalente Abbe-Zahl (V_d) und darf kein konstanter Wert (von z.B. etwa -3,45) in der diffraktiven Optik (z.B. Ordnung n = 1) sein. Von Gl. (9) deuten die positiven und negativen Werte von n darauf hin, dass kürzere Wellenlängen weiter von der Meta-Linse entfernt fokussiert werden und dass längere Wellenlängen näher zu der Meta-Linse fokussiert werden. Je größer der Absolutwert von n, desto größer ist der Abstand zwischen den Fokuspunkten zweier Wellenlängen, was zu einer stärkeren Dispersion führt.
4A und 4B veranschaulichen die Gruppenverzögerungen und die Gruppenverzögerungsdispersionen als Funktion der Radiallinsenkoordinate zur Anpassung von Meta-Linsen-Dispersionen. Die Gruppenlaufzeit $(\frac{\partial φ}{\partial ω})$
und die Gruppenlaufzeitdispersion $(\frac{\partial^{2} φ}{\partial ω^{2}})$
sind definiert als die Derivate erster und zweiter Ordnung der Phase (Gl. (8)) in Bezug auf die Winkelfrequenz ω. Die Fälle von n = 0 und n = 1 entsprechen achromatischen bzw. diffraktiven Linsen. In einigen Ausführungsformen weist die Linse eine numerische Apertur (NA) = etwa 0,2 bei einer Wellenlänge λ= etwa 530 nm auf. Die NA kann für n ≠ 0 eine Funktion der Wellenlänge sein, um die Änderung der Brennweite zu implizieren. In einem solchen Fall können die Begriffe hoher Ordnung (z.B. Gruppenverzögerungsdispersion) erfüllt werden, um eine breitbandige beugungsbegrenzte Fokussierung zu erreichen, wobei die volle Breite bei halbem Maximum $FWHM = \frac{λ}{2 N A}$
ist. Für n = 0 kann die Meta-Linse einen Impulsstrahl fokussieren, ohne seine Impulsbreite und -form zu verändern, da der Gruppenverzögerungsdispersionsterm sowie alle anderen Begriffe höherer Ordnung Null sind.
In einigen Ausführungsformen kann der Fall n = 0 den achromatischen Linsen entsprechen. 5A-5C veranschaulichen simulierte Punktverteilungsfunktionen von Meta-Linsen mit n = 0, 1 und 2. Diese Meta-Linsen mit einem NA = 0,2 und F = 49 µm bei λ = 530 nm beinhalten Anordnungen von Nanofinnen. Die Meta-Linsen befinden sich bei z = 0, und der einfallende Strahl breitet sich in Richtung positiver z-Richtung aus, wobei die Wellenlängen auf der y-Achse angegeben sind. Die n Werte an den oberen linken Ecken der 5A-5C repräsentieren achromatische, dispersive und superdispersive Meta-Linsen und zeigen die Vielseitigkeit des Dispersionsansatzes. Die Punktstreuungsfunktionen können berechnet werden, indem die Amplitude und Phase jeder Nanofinne auf den Meta-Linsen propagiert wird, was durch FDTD-Simulation durch skalare Beugungstheorie erreicht werden kann. Die gestrichelten Linien, die durch die maximalen Intensitäten der einzelnen Fokuspunkte unterschiedlicher Wellenlängen verlaufen, werden zur besseren Visualisierung der Fokuspunktbewegungen aufgezeichnet.
Die Nanofinnen werden so gewählt, dass die Nanofinnen (unter den verfügbaren Parametern, die herstellbar sind) das Gruppenverzögerungsprofil bei λ = 530 nm für jede räumliche Position auf den Meta-Linsen erfüllen. In 5A kann die Brennweite im Wesentlichen konstant gehalten werden (~49 µm), was eine achromatische Fokussierung zeigt, während in den 5B und 5C Fokuspunktposition mit den Wellenlängen variiert. 5C zeigt auch, dass die Fokuspunktgröße nicht beugungsbegrenzt sein darf, wenn die einfallende Wellenlänge λ außerhalb von 530 nm liegt, aufgrund der Vernachlässigung der Gruppenlaufzeitdispersion $(\frac{\partial^{2} φ}{\partial ω^{2}}) .$
Die Meta-Objektive (n = 1, 2) mit schnell wechselnder Brennweite können Anwendungen in wellenlängenabstimmbaren Zoomobjektiven finden. Im Gegensatz zu herkömmlichen Zoomobjektiven können die Brennweiten ohne mechanische Bewegung eingestellt werden.
6 veranschaulicht die normierten Brennweitenverschiebungen als Funktion der Wellenlängen für verschiedene Meta-Linsen von 450 nm bis 700 nm, entsprechend den in den 5A-5C dargestellten Meta-Linsen, zusammen mit einem Meta-Objektiv, das eine umgekehrte Brennweitenverschiebung aufweist (n = -1). Die positiven Werte von n entsprechen der Brennweitenverschiebung ähnlich der diffraktiven Optik, während das negative n dem von refraktiven Linsen entspricht. Für n = -1, 0, 1 und 2 können die Meta-Linsen bei λ=530 nm mit 120 nm Bandbreite ausgelegt werden, indem die Phasen- und Gruppenlaufzeit von Gleichung (8) und Gleichung (9) erfüllt wird. Für n = -1 hat das Meta-Objektiv eine NA = 0,1 und eine Brennweite von 99 µm bei 530 nm, während der Rest eine NA = 0,2 und eine Brennweite von 49 µm hat.
Durch die Linsenmachergleichung können die entsprechenden Abbe-Zahlen (Vd) definiert werden als: $V_{d} = \frac{\frac{1}{F_{589.3}}}{\frac{1}{F_{486.1}} - \frac{1}{F_{656.3}}}$
wobei F_589.3 die Brennweite eines Meta-Objektivs bei einer Wellenlänge λ = 589,3 nm darstellt. Die entsprechenden Abbe-Zahlen für n = -1, 0, 1 und 2 können 3,53, -33,42, - 3,38 und -1,93 sein. Der kleinere Absolutwert von V_d stellt eine stärkere Streuung dar, während das negative Vorzeichen von V_d die entgegengesetzte Fokussierungstendenz im Vergleich zu Glaslinsen widerspiegelt. In der konventionellen diffraktiven Optik ist die Abbe-Zahl eine Konstante von -3,45, die zu groß ist, um durch Kaskadierung einer refraktiven Linse (ihre Abbe-Zahlen liegen normalerweise zwischen 30 und 70) vollständig kompensiert zu werden, was zu einem sekundären Spektrum, d.h. einer chromatischen Restaberration, führt. Im Gegensatz dazu ermöglicht die abstimmbare Abbe-Zahl die Korrektur chromatischer Aberrationen über die Grenzen der Verwendung konventioneller Linsenmaterialien hinaus.
Durch Anpassung von Gruppenlaufzeit und Phase (wie in Gl. (7)) kann der chromatische Effekt korrigiert oder minimiert werden. Um eine Vorrichtung zu realisieren, die über eine Bandbreite achromatisch ist, kann die Gruppenlaufzeit einer Nanostruktur an einem bestimmten Ort unabhängig von der Winkelfrequenz ausgelegt werden. Mit anderen Worten, die Summierung von n_eff und $ω \cdot \frac{d n_{e f f}}{d ω},$
die gleich dem Gruppenindex (n_g) ist, kann eine Konstante sein. Die Gruppengeschwindigkeitsdispersion (GVD), die proportional zur Ableitung von n_g in Bezug auf die Winkelfrequenz und gleich der Gruppendispersion dividiert durch die Ausbreitungslänge ist, ist daher Null. In einigen Ausführungsformen kann ein GVD-Wert von Null durch Steuerung der Wellenleiterdispersion erreicht werden, um die Materialdispersion zu kompensieren. Dies kann erreicht werden, indem zwei oder mehr Wellenleiter eng platziert werden, um einen Slot-Modus zu unterstützen, bei dem das Licht zwischen den Hohlleitern eingeschlossen ist.
Um eine große Größe oder eine hohe NA eines achromatischen Meta-Objektivs zu erreichen, kann der Bereich der Gruppenlaufzeit vergrößert werden, z.B. durch Verwendung unterschiedlicher Höhen oder durch Resonanzen der Nanofinnen. Die Resonanz kann die Bandbreite einer achromatischen Meta-Linse begrenzen, die durch den Qualitätsfaktor der Resonanzen gegeben ist und im reinen dielektrischen System meist eng ist. Unterschiedliche Höhen von Nanofinnen können entweder durch Multi-Lithographieverfahren oder durch Zwei-Photopolymerisation realisiert werden. Alternativ kann die offenbarte Technologie den chromatischen Effekt von Meta-Linsen mit n zwischen 0 und 1 mit geringerer Gruppenlaufzeit verringern und dann eine herkömmliche refraktive Linse zur Kompensation des longitudinalen chromatischen Effekts kaskadieren. Durch diesen Ansatz können auch andere monochromatische Aberrationen, insbesondere das Koma, korrigiert werden, indem das Phasenprofil und die Krümmung der Meta-Linse bzw. der refraktiven Linse geändert werden.
Es ist zu verstehen, dass sich der Begriff „Design“ (z.B. wie in der hierin offenbarten „Designwellenlänge“, „Designbrennweite“ oder ähnlichen Phrasen verwendet) auf Parameter bezieht, die während einer Designphase festgelegt wurden; diese Parameter können nach der Herstellung eine zugehörige Toleranz aufweisen.
Wie hierin verwendet, können die singulären Begriffe „ein“, „eine“ und „das“ mehrere Verweise beinhalten, es sei denn, der Kontext verlangt eindeutig etwas anderes.
Räumliche Beschreibungen, wie „über“, „unter“, „oben“, „links“, „rechts“, „unten“, „oberste“, „unterste“, „vertikal“, „horizontal“, „seitlich“, „höher“, „niedriger“, „über“, „ober“, „unter“, usw., werden in Bezug auf die in den Abbildungen dargestellte Ausrichtung angegeben, sofern nicht anders angegeben. Es versteht sich, dass die hierin verwendeten räumlichen Beschreibungen nur zur Veranschaulichung dienen und dass praktische Implementierungen der hierin beschriebenen Strukturen räumlich in beliebiger Ausrichtung oder Art und Weise angeordnet werden können, vorausgesetzt, dass die Vorteile der Ausführungsformen dieser Offenbarung durch diese Anordnung nicht abweichen.
Wie hierin verwendet, werden die Begriffe „ungefähr“, „im Wesentlichen“, „wesentlich“ und „etwa“ verwendet, um kleine Abweichungen zu beschreiben und zu berücksichtigen. Wenn sie in Verbindung mit einem Ereignis oder Umstand verwendet werden, können sich die Begriffe auf Fälle beziehen, in denen das Ereignis oder der Umstand genau eintritt, sowie auf Fälle, in denen das Ereignis oder der Umstand in einer engen Annäherung eintritt. Wenn die Begriffe beispielsweise in Verbindung mit einem Zahlenwert verwendet werden, können sie sich auf einen Variationsbereich beziehen, der kleiner oder gleich ±10% dieses Zahlenwerts ist, wie beispielsweise kleiner oder gleich ±5%, kleiner oder gleich ±4%, kleiner oder gleich ±3%, kleiner oder gleich ±2%, kleiner oder gleich ±1%, kleiner oder gleich ±0,5%, kleiner oder gleich ±0,1% oder kleiner als ±0,05%. So können beispielsweise zwei numerische Werte als „im Wesentlichen“ gleich angesehen werden, wenn die Differenz zwischen den Werten kleiner oder gleich ±10% eines Durchschnitts der Werte ist, wie beispielsweise kleiner oder gleich ±5%, kleiner oder gleich ±4%, kleiner oder gleich ±3%, kleiner oder gleich ±2%, kleiner oder gleich ±1%, kleiner oder gleich ±0,5%, kleiner oder gleich ±0,1% oder kleiner oder gleich ±0,05%.
Zusätzlich werden hierin manchmal Beträge, Verhältnisse und andere numerische Werte in einem Bereichsformat dargestellt. Es versteht sich, dass ein solches Bereichsformat aus Gründen der Zweckmäßigkeit und Kürze verwendet wird und flexibel so zu verstehen ist, dass es numerische Werte einschließt, die ausdrücklich als Grenzen eines Bereichs angegeben sind, aber auch alle einzelnen numerischen Werte oder Teilbereiche, die in diesem Bereich enthalten sind, so als ob jeder numerische Wert und Teilbereich ausdrücklich angegeben wäre.
Obwohl die vorliegende Offenbarung beschrieben und mit Bezug auf spezifische Ausführungsformen veranschaulicht wurde, schränken diese Beschreibungen und Abbildungen die vorliegende Offenbarung nicht ein. Den Fachleuten ist es verständlich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen und Äquivalente ersetzt werden können, ohne vom wahren Geist und Umfang der vorliegenden Offenbarung, wie sie in den beigefügten Ansprüchen definiert ist, abzuweichen. Die Abbildungen sind nicht unbedingt maßstabsgetreu gezeichnet. Aufgrund von Fertigungsprozessen und Toleranzen kann es zu Unterschieden zwischen den gestalterischen Wiedergaben in der vorliegenden Offenbarung und der tatsächlichen Vorrichtung kommen. Es kann weitere Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung geben, die nicht ausdrücklich veranschaulicht sind. Die Spezifikationen und Zeichnungen sind eher als illustrativ als als restriktiv zu betrachten. Es können Änderungen vorgenommen werden, um eine bestimmte Situation, ein bestimmtes Material, eine bestimmte Zusammensetzung der Materie, eine bestimmte Methode oder einen bestimmten Prozess an das Ziel, den Geist und den Umfang der vorliegenden Offenbarung anzupassen. Alle diese Änderungen sollen im Rahmen der hier beigefügten Ansprüche erfolgen. Obwohl die hierin offenbarten Methoden in Bezug auf bestimmte Operationen beschrieben wurden, die in einer bestimmten Reihenfolge durchgeführt wurden, versteht es sich, dass diese Operationen zu einer gleichwertigen Methode kombiniert, untergliedert oder neu angeordnet werden können, ohne von den Lehren der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Dementsprechend stellen die Reihenfolge und Gruppierung der Tätigkeiten, sofern hierin nicht ausdrücklich angegeben, keine Einschränkungen der vorliegenden Offenbarung dar.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 62514614 [0001]

Claims

Eine optische Vorrichtung, umfassend: eine Meta-Oberfläche, die eine Vielzahl von Nanostrukturen beinhaltet, wobei die Nanostrukturen ein Phasenprofil und ein Gruppenverzögerungsprofil bei einer Designwellenlänge definieren; wobei das Gruppenverzögerungsprofil eine chromatische Dispersion der Meta-Oberfläche steuert und das Phasenprofil eine Funktionalität der Meta-Oberfläche bestimmt.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die optische Vorrichtung ein achromatischer Deflektor ist, der Lichtstrahlen verschiedener Wellenlängen bei normalem Einfall empfängt und die Lichtstrahlen verschiedener Wellenlängen in einen gemeinsamen Winkel ablenkt.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei der achromatische Deflektor ein achromatischer Wellenleiterkoppler ist.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die optische Vorrichtung eine achromatische Linse ist, die konfiguriert ist, um Licht eines Bereichs verschiedener Wellenlängen auf einen gemeinsamen Punkt zu fokussieren.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die achromatische Linse mindestens eine von einer unendlich konjugierten achromatischen Linse, einer konjugierten achromatischen Linse oder einer intern totalreflektierenden achromatischen Linse ist.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die optische Vorrichtung eine Linse mit abstimmbarer Dispersion ist, die konfiguriert ist, um Licht eines Bereichs verschiedener Wellenlängen auf einen oder mehrere Punkte zu fokussieren.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl von Nanostrukturen mindestens eines von einem Oxid, einem Nitrid, einem Sulfid, einem reinen Element oder einer Kombination von zwei oder mehreren davon umfasst.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei ein Querschnitt jeder der Vielzahl von Nanostrukturen eine zweifache Symmetrie aufweist.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei der Querschnitt rechteckig ist.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei der Querschnitt elliptisch ist.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Gruppenverzögerungsprofil eine Ableitung des Phasenprofils in Bezug auf eine Winkelfrequenz eines einfallenden Lichts ist.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Gruppenverzögerungsprofil von einer Differenz der übertragenen elektrischen Lichtfelder abhängt, die entlang zweier symmetrischer Achsen der Nanostrukturen polarisiert sind.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Phasenprofil von einer Differenz der übertragenen elektrischen Lichtfelder abhängt, die entlang zweier symmetrischer Achsen der Nanostrukturen polarisiert sind, und ferner von Drehwinkeln der Nanostrukturen in Bezug auf eine Achse der Meta-Oberfläche abhängt.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Designwellenlänge in einem Bereich von ultraviolett bis infrarot liegt.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Phasenprofil an einer gegebenen Stelle x ist: $φ (x, ω) = \frac{ω}{c} n_{e f f} h,$
wobei x eine räumliche Koordinate der Nanostrukturen ist, ω eine Winkelfrequenz eines einfallenden Lichts ist, c die Lichtgeschwindigkeit ist, neff ein effektiver Index der Nanostrukturen ist und h eine Höhe der Nanostrukturen ist.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Gruppenverzögerungsprofil an einer gegebenen Stelle x ist: $\frac{d φ (x, ω)}{d ω} = \frac{h}{c} n_{e f f} + \frac{h \cdot ω}{c} \frac{d n_{e f f}}{d ω},$
wobei x eine räumliche Koordinate der Nanostrukturen ist, ω eine Winkelfrequenz eines einfallenden Lichts ist, c die Lichtgeschwindigkeit ist, neff ein effektiver Index der Nanostrukturen ist und h eine Höhe der Nanostrukturen ist.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 1, worin die Nanostrukturen ferner ein Gruppenverzögerungsdispersionsprofil definieren, wobei das Gruppenverzögerungsdispersionsprofil eine Ableitung zweiter Ordnung des Phasenprofils in Bezug auf eine Winkelfrequenz eines einfallenden Lichts ist.
Eine optische Vorrichtung, umfassend: eine Meta-Oberfläche, die eine Vielzahl von Nanostrukturen beinhaltet, wobei die Nanostrukturen ein Phasenprofil, ein Gruppenverzögerungsprofil und ein Gruppenverzögerungsdispersionsprofil definieren, die die chromatische Dispersion der Meta-Oberfläche steuern; wobei jede Nanostruktur der Nanostrukturen Geometrien aufweist, die sowohl dem Gruppenverzögerungsprofil als auch dem Gruppenverzögerungsdispersionsprofil entsprechen, und jede Nanostruktur einen Drehwinkel aufweist, der dem Phasenprofil entspricht.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 18, worin das Gruppenverzögerungsprofil eine Ableitung des Phasenprofils in Bezug auf eine Frequenz eines einfallenden Lichts ist.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 18, worin das Gruppenverzögerungsdispersionsprofil eine Ableitung zweiter Ordnung des Phasenprofils in Bezug auf eine Frequenz eines einfallenden Lichts ist.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 18, worin das Gruppenverzögerungsprofil durch eine Höhe und einen effektiven Index der Vielzahl von Nanostrukturen gesteuert wird.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 18, worin die optische Vorrichtung ein achromatischer Deflektor ist, der Lichtstrahlen verschiedener Wellenlängen bei normalem Einfall empfängt und die Lichtstrahlen verschiedener Wellenlängen in einen gemeinsamen Winkel ablenkt.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 18, worin die optische Vorrichtung eine achromatische Linse ist, die konfiguriert ist, um Licht eines Bereichs verschiedener Wellenlängen auf einen gemeinsamen Fokuspunkt zu fokussieren.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 18, worin die Nanostrukturen eine Vielzahl von Gruppen von Nanofinnen beinhalten, wobei jede Gruppe von Nanofinnen eine erste Nanofinne und eine zweite Nanofinne mit im Wesentlichen gleicher Höhe und unterschiedlicher Länge und Breite beinhaltet.