DE112018003132T5

DE112018003132T5 - Topologie-optimierte mehrschichtige meta-optik

Info

Publication number: DE112018003132T5
Application number: DE112018003132.2T
Authority: DE
Inventors: Federico Capasso; Benedikt Groever; Zin Lin; Marko Loncar; Alejandro W. Rodriguez
Original assignee: Harvard College; Princeton University
Current assignee: Harvard College; Princeton University
Priority date: 2017-06-19
Filing date: 2018-06-19
Publication date: 2020-03-05
Also published as: US11835681B2; WO2019103762A3; GB2578049A; WO2019103762A2; US20200183050A1; GB201919063D0; WO2019103762A9

Abstract

Eine mehrschichtige Linse umfasst eine Vielzahl von Metaoberflächenschichten. Mindestens einige Schichten der Vielzahl von Metaoberflächenschichten beinhalten Merkmale, die eine Steuerung des Phasenwinkels bewirken. Die Phasenwinkel der mindestens einigen Schichten bewirken eine Winkelaberrationskorrektur oder eine Winkelkonvergenz, die das Licht unabhängig von den Einfallswinkeln auf einen Brennpunkt fokussiert.

Description

BEZUGNAHME AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der am 19. Juni 2017 eingereichten U.S. Provisional Patent Application 62/522,030 , 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, verliehen vom Air Force Office of Scientific Research, DGE-1144152, vergeben von der National Science Foundation, und DMR-1454836, vergeben von der National Science Foundation, gemacht. Die Regierung hat bestimmte Rechte an der Erfindung.
HINTERGRUND
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf Geräte und Verfahren für optische Geräte.
ZUSAMMENFASSUNG
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein allgemeines Framework zur Topologieoptimierung für das inverse Design von Metaoberflächen, das automatisch hochkomplexe mehrschichtige Metastrukturen mit erweiterten Funktionalitäten erkennen kann. Insbesondere offenbaren zumindest einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung topologieoptimierte mehrschichtige Geometrien mit Steuerung des Phasenwinkels, darunter eine einteilige nanophotonische Meta-Linse mit Winkelaberrationskorrektur sowie eine winkelkonvergente Meta-Linse, die das Licht unabhängig vom Einfallswinkel auf den gleichen Brennpunkt fokussiert.
Figurenliste

1 veranschaulicht (a) eine einteilige, nanophotonische, aberrationskorrigierte Meta-Linse und (b) eine winkelkonvergente Meta-Linse.
2 veranschaulicht (a) eine mehrschichtige zweidimensionale (2D) Linse, die für vier Einfallswinkel aberrationskorrigiert ist; (b) Ergebnisse einer Finite-Difference-Time-Domain (FDTD)-Analyse von Fernfeldprofilen (Dichteplots), die eine Fokussierungswirkung für die vier Einfallswinkel offenbaren; (c) Die Feldintensitäten (Kreispunkte) in der Fokusebene folgen der idealen Beugungsgrenze (durchgezogene Linien); (d) Das entsprechende Phasenprofil (Kreisdatenpunkte) für jeden Winkel wird in einem Abstand gemessen, der eine gute Übereinstimmung mit dem idealen Profil (durchgezogene Linie) zeigt; und (e) Nahfeldprofile mit ausgehenden sphärischen Wellenfronten.
3 veranschaulicht (a) eine mehrschichtige 2D-Linse, die eine achsiale Fokussierung für die Einfallswinkel aufweist; (b) Ergebnisse einer FDTD-Analyse der Fernfeldprofile (Dichteplots), die den gleichen Fokuspunkt für die verschiedenen Einfallswinkel aufweisen; (c) Die Intensitäten (symbolische Datenpunkte) in der Fokusebene folgen der auf der Achse idealen Beugungsgrenze für alle Einfallswinkel (durchgezogene Linie); (d) Das entsprechende Phasenprofil (Kreisdatenpunkte) für jeden Winkel wird im Abstand gemessen und zeigt eine gute Übereinstimmung mit dem idealen Profil (durchgezogene Linie); und (e) Nahfeldprofile mit nahezu perfekten ausgehenden sphärischen Wellenfronten.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Metaoberflächen mit Phasengradienten sind eine Klasse von optischen Vorrichtungen, die komplexe elektromagnetische Wechselwirkungen innerhalb nanostrukturierter Grenzflächen ausnutzen, um beliebige Erscheinungsformen von Lichtwellen im Makromaßstab hervorzurufen, die wichtige Anwendungen in verschiedenen Technologien wie Bildgebung, Sensoren, Holographie und Strahlführung haben. Bisher basiert das Design dieser Vorrichtungen in erster Linie auf Trial-and-Error-Methoden, die versuchen, alle möglichen Parametervariationen zu erfassen und die funktionierenden herauszufiltern. Verständlicherweise ist die Bandbreite der Strukturen und Funktionalitäten, die mit diesen Methoden gestaltet werden können, begrenzt. Zumindest einige Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung richten sich an ein Optimierungsframework, das den Umfang der Metaoberflächengestaltung sowie die Funktionalitäten der Metaoberflächen stark erweitert. Ein offenbarter Optimierungsalgorithmus kann komplexe Designgeometrien automatisch mit einer stark erhöhten Geschwindigkeit aufspüren, geleitet von einer eigenen Nutzenfunktion, die die Leistung des zu optimierenden Geräts effizient bewertet und bei Erreichen des Maximalwerts alle gewünschten Lichtwelleneffekte gewährleistet. Insbesondere wird die Methode angewendet, um hochinteraktive mehrschichtige Metastrukturen mit breiter spektraler und winkliger Kontrolle zu entwerfen, was ein wesentlich schwierigeres Problem ist als die, die mit allen bestehenden Designmethoden bewältigt werden können.
Eine Anwendung des offenbarten Verfahrens ist das Design einer mehrschichtigen Meta-Linse mit Winkelaberrationskorrektur. Die vergleichende refraktive Linse oder die vergleichende flachoptische Meta-Linse leidet unter Aberrationen, die dadurch entstehen, dass die Linse nicht in der Lage ist, die Lichtwellen, die unter schrägen Einfallswinkeln kommen, richtig zu fokussieren. Der bestehende Ansatz zur Korrektur dieser Aberrationen besteht darin, zwei oder mehr Linsen im Abstand von mehreren Millimetern bis Zentimetern herzustellen, wobei man sich auf den klassischen Raytracing-Mechanismus stützt, ohne vollwellige elektromagnetische Effekte zu berücksichtigen. Die offenbarte Methode bietet ein alternatives Design, basierend auf mehrschichtigen Metastrukturen, mit Größenverringerungen um Größenordnungen (von mm bei traditionellen Designs auf mehrere nm oder einige µm bei unserem Design), unterstützt durch einen radikal anderen physikalischen Mechanismus, der elektromagnetische Wechselwirkungen im Nanobereich vollständig ausnutzt.
Metaoberflächen mit Phasengradienten sind in jüngster Zeit aufgrund ihrer erfolgreichen Anwendungen in Technologien wie Strahlführung, Bildgebung und Holographie auf großes Interesse gestoßen. Obwohl Metaoberflächen mit Phasengradienten viele Vorteile in Bezug auf Größe und Skalierung gegenüber herkömmlichen refraktiven Massenoptiken bieten, sind ihre Möglichkeiten in Bezug auf die spektrale und winklige Kontrolle eingeschränkt. Die theoretische Analyse ultradünner Metaoberflächen deutet darauf hin, dass zur Umgehung solcher Einschränkungen exotische Elemente wie aktive Permittivitäten (z. B. optische Verstärkung), Bi-Anisoptropie, magnetische Materialien oder sogar nicht-lokale Response-Elemente eingesetzt werden könnten. Obwohl Materialien mit solchen Eigenschaften im Hochfrequenzregime (RF) zu finden sind, sind sie bei optischen Frequenzen nicht ohne weiteres verfügbar. Alternativ können die Bauteilfunktionalitäten durch immer komplexeres geometrisches Design erweitert werden. So wurden beispielsweise multifunktionale Bauteile durch Kaskadierung einiger Schichten von Metaoberflächen demonstriert, die jeweils typische dielektrische Materialien umfassen. Bisher fallen zumindest einige der mehrschichtigen Metastrukturen (MMS) in eine Kategorie von Strukturen, bei denen jede Schicht ausreichend weit der anderen entfernt ist und unabhängig betrachtet werden kann.
Wenigstens einige Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beschreiben eine Klasse von MMS mit mehreren eng beieinander liegenden Schichten, die eine reichere physikalische Interaktion innerhalb und zwischen den Schichten ermöglichen und dadurch erweiterte Funktionalitäten bieten. Eine Eigenschaft dieser MMS ist, dass alle Schichte nicht unabhängig voneinander behandelt werden, sondern im Designprozess integral berücksichtigt werden. Eine solche Überlegung führt oft zu einem stark erweiterten Designraum, der nicht von vergleichbaren Designmethoden bewältigt werden kann, die auf vorkompilierten Bibliotheken mit intuitiven geometrischen Elementen basieren. Gemäß zumindest einiger Ausführungsformen kann ein allgemeines Topologieoptimierungs-(TO)-Framework hochkomplexe MMS mit breiten Funktionalitäten automatisch identifizieren.
1 zeigt schematische Darstellungen (nicht maßstabsgetreu) von (a) einer einteiligen nanophotonischen, aberrationskorrigierten Meta-Linse und (b) einer winkelkonvergenten Meta-Linse. Die Meta-Linse gewährleistet eine beugungsbegrenzte Fokussierung bei allgemeinem schrägem Auftreffen entweder auf einen seitlich verschobenen Fokuspunkt (a) oder auf den gleichen achsialen Fokuspunkt (b). Gemäß den in 1 dargestellten Ausführungsformen weisen zwei TO-Mehrschichtgeometrien eine Phasenwinkelsteuerung auf: eine einteilige nanophotonische Meta-Linse mit Winkelaberrationskorrektur (1 (a)) und eine winkelkonvergente Meta-Linse, die das Licht unabhängig vom Einfallswinkel auf den gleichen Fokuspunkt fokussiert (1(b)).
Inverse Design Formulierung
Topologieoptimierung (TO) ist eine effiziente Berechnungstechnik, die einen umfangreichen Designraum handhabt und die dielektrische Permittivität an jedem Raumpunkt als Freiheitsgrad (DOF) betrachtet. Insbesondere kann ein elektromagnetisches TO-Problem wie folgt beschrieben werden: $max F (E; \bar{ε})$
$G (E; \bar{ε}) \leq 0$
$0 \leq \bar{ε} \leq 1$
Hier bezieht sich das Set der DOFs {∈} auf das positionsabhängige dielektrische Profil über ∈(r) = (∈_st - ∈_bg) ∈ (r) + ∈_bg, wobei ∈_st {bg} die relative Permittivität des strukturellen (Hintergrund-)Dielektrikums bezeichnet. Während ∈ Zwischenwerte zwischen 0 und 1 annehmen kann, kann dies eine binäre (digitale) Struktur durch eine Vielzahl von Straf- und Filterprojektionsverfahren sicherstellen. Das Ziel F und die Einschränkung G sind typischerweise Funktionen des elektrischen Feldes E, das wiederum eine Lösung der Maxwell-Gleichung ist, $\nabla \times \frac{1}{μ} \nabla \times E - ε (r) \frac{ω^{2}}{c^{2}} E = i ω J,$
welches das stationäre E(r;ω) als Reaktion auf einfallende Ströme J(r,w) bei der Frequenz ω beschreibt. Um Optimierungsprobleme nachvollziehbar zu machen, erhält die Methode eine schnell konvergierende und rechentechnisch effiziente adjungierte Formulierung des Problems. Dies kann im Rahmen von TO zu effizienten Berechnungen der Ableitungen $\frac{\partial F}{\partial \bar{ε} (r)}, \frac{\partial G}{\partial \bar{ε} (r)}$
an jedem räumlichen Punkt r führen, was die Nutzung der adjungiert-variablen Methode beinhalten kann.
Auf TO basierende Inverse-Design-Techniken können auf eine Vielzahl von photonischen Systemen angewendet werden, einschließlich z.B. On-Chip-Modus-Splitter, nichtlineare Frequenzumrichter und Dirac-Kegel-Photonenkristalle. Die offenbarte Technologie beinhaltet groß angelegte Berechnungstechniken, die auf das Design von Metaoberflächen zugeschnitten sind. Hier wird ein allgemeines Optimierungsframework für den Entwurf einer generischen Meta-Optik-Vorrichtung, ein- oder mehrschichtig, mit beliebigem Phasengang vorgestellt. Die Formulierung kann vom Überlagerungsprinzip abhängen: Bei einem gewünschten Phasenprofil ϕ(r) können die ideale Wellenfront e^iϕ(r) und das komplexe elektrische Feld E(r) konstruktiv stören, wenn (oder nur wenn) ihre Phasendifferenz verschwindet. Hier ist E(r) = E(r) · ê für eine gegebene Polarisation ê. Dieser Argumentation folgend, lautet eine Optimierungsfunktion: $F (\bar{ε}) = \frac{1}{V} \int \frac{{| E (r) + e^{i ϕ (r)} |}^{2} - {| E (r) |}^{2} - 1}{2 | E (r) |} d r,$
wobei $\frac{1}{V} = \int d r$
und die räumliche Integration über eine Bezugsebene (üblicherweise eine oder zwei Wellenlängen entfernt von dem Metabauteil) durchgeführt wird, wobei ϕ(r) definiert ist. Es wird angemerkt dass F nichts anderes ist als ein räumlich gemittelter Kosinus der Phasendifferenz zwischen e^iϕ(r) und E(r):
$F (\bar{ε}) = \frac{1}{V} \int cos (arg E (r) - ϕ (r)) d r,$
mit der Eigenschaft F ≤ 1. Daher kann F als Mittel zur Überwachung und Charakterisierung der Leistung des im Bau befindlichen Bauteils verwendet werden, wobei F ≈ 1 anzeigt, dass das zu optimierende Design zu einer optimalen Lösung konvergiert ist. In einigen Ausführungsformen kann F ≈ 99 für untersuchte Optimierungsprobleme erhalten werden.
Steuerung des Phasenwinkels
Ein Merkmal von Meta-Vorrichtungen im Nanobereich ist ihr Potenzial für beliebige Wellenfront-Manipulationen unter verschiedenen Kontrollvariablen wie Wellenlänge, Polarisation oder Einfallswinkel. Zumindest einige Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beschreiben die Winkelsteuerung. In einigen Ausführungsformen könnte die Realisierung der Winkelsteuerung in herkömmlichen einschichtigen ultradünnen Metaoberflächen schwierig sein, da die Schnittstelle durch die verallgemeinerten Snell-Gesetze eingeschränkt ist. Andererseits können MMS mit Dicken im Bereich einer Wellenlänge oder mehr (deren interner Betrieb nicht durch eine Strahlenoptik beschrieben werden kann) eine solche Einschränkung überwinden. Grundsätzlich können MMS so konzipiert werden, dass sie eine Richtungsabhängigkeit aufweisen, obwohl sich herkömmliche Ansätze, die auf intuitiven, handwerklichen Designs beruhen, als ungleichartig für eine solche Aufgabe erweisen können. Der offenbarte Optimierungsalgorithmus entwirft multifunktionale Strukturen, bei denen ein beliebiger Phasenverlauf, der mit dem Einfallswinkel variiert, auf demselben Bauteil aufgeprägt werden kann.
In einigen Ausführungsformen ist mindestens ein Ziel beim Design von Meta-Linsen die Erstellung eines einzigen, hyperbolischen Phasenprofils: $ϕ (r) = ϕ_{0} - \frac{2 π}{λ} (\sqrt{f^{2} + {(r - r_{0})}^{2}} - f),$
gekennzeichnet durch die Brennweite f als Reaktion auf eine normalerweise einfallende ebene Welle. Hier bezeichnet r₀ das Zentrum der Linse, während ϕ₀ eine beliebige Phasenreferenz bezeichnet, die als zusätzlicher Freiheitsgrad im Metaoberflächendesign variiert werden kann. Das Design kann frei von sphärischen Aberrationen sein, kann aber dennoch unter winkeligen und außerachsialen Aberrationen wie Koma und Feldkrümmung leiden. Diese Fehler können aus einem Phasenprofil resultieren, das die schrägen, außerachsialen Strahlen verzerrt. Ein korrigiertes Phasenprofil ohne Aberration kann daher winkelabhängig sein, wie gegeben durch: $ϕ (r, θ_{i n c}) = ϕ_{0} (θ_{i n c}) - \frac{2 π}{λ} (\sqrt{f^{2} + {(r - r_{0} - f tan θ_{i n c})}^{2}} - f) .$
Es ist zu beachten, dass der obige Ausdruck unter Berücksichtigung des optischen Weglängenkontrasts zwischen einem generischen Strahl und dem orthonormalen Strahl abgeleitet werden kann, der auf einen Fokussierpunkt gerichtet ist, der durch f tan θ_inc seitlich verschoben wird (siehe 1(a), gestrichelte Linie). Hier wird der TO-Algorithmus verwendet, um eine zweidimensionale miniaturisierte winkelkorrigierte Meta-Linse mit dem oben angegebenen winkelabhängigen Phasenprofil zu gestalten. Es ist zu beachten, dass die offenbarte Technologie auch eine vollflächige einteilige monochromatische, aberrationsfreie 3D-Weitwinkellinse (z. B. im Zentimeterbereich) unter Benutzung der TO-Technologie gestalten kann. Während sich die traditionelle, aberrationskorrigierte Dublette auf klassische Raytracing-Techniken stützt, nutzt die offenbarte Technologie aufwendig nanoskalige elektromagnetische Effekte, um eine Winkelsteuerung zu erreichen.
2(a) zeigt eine mehrschichtige miniaturisierte 2D-Linse (NA = 0,35, f = 30λ), die für vier Einfallswinkel fehlerkorrigiert ist {0°, 7.5°, 15°, 20°}, wobei λ die Wellenlänge ist. Es ist zu beachten, dass aufgrund der Symmetrie die Linse auch für die negativen Winkel automatisch korrigiert werden kann {-7.5°,-15°,-20°}. Die Linsenmaterialien beinhalten fünf Schichten Silizium (schwarz) in einer Aluminiumoxidmatrix (grau). Ein Teil der Linse ist vergrößert, um eine einfache Visualisierung zu ermöglichen (Inset); die kleinsten Merkmale (z. B. die, die von gestrichelten ovalen Linien umgeben sind) messen 0,02 λ, während die Dicke jeder Schicht 0,2 λ beträgt.
2(b) zeigt die Ergebnisse einer FDTD-Analyse der Fernfeldprofile (Dichteplots), die die Fokussierungswirkung für die vier Einfallswinkel zeigen. Es ist zu beachten, dass die Fokusebene durch eine weiß gestrichelte Linie gekennzeichnet ist. 2(c) zeigt, dass die Feldintensitäten (Kreispunkte) in der Fokusebene der idealen Beugungsgrenze (durchgezogene Linien) folgen. Es ist zu beachten, dass die Intensitäten auf Eins normiert sind, um einen einfachen Vergleich der Spotgrößen zu ermöglichen. 2(d) Das entsprechende Phasenprofil (Kreisdatenpunkte) für jeden Winkel wird in einem Abstand von 1,5 λ vom Bauteil gemessen und zeigt eine gute Übereinstimmung mit dem vorhergesagten Profil (durchgezogene Linie). 2(e) zeigt Nahfeldprofile mit ausgehenden Kugelwellenfronten.
In einigen Ausführungsformen hat eine Linse eine numerische Apertur (NA) von 0,35 und eine Brennweite von 30λ. Die Vorrichtung beinhaltet fünf Schichten topologieoptimierter aperiodischer Silizium-Gitter (invariant entlang z) vor amorphem Aluminiumoxid-Hintergrund (siehe 2(a)). Jede Siliziumschicht ist 0,2λ dick und durch 0,1λ Aluminiumoxidlücken getrennt. Silizium und Aluminiumoxid können im Hinblick auf eine spätere Herstellung bei mittleren oder fernen IR-Wellenlängen (5-8 µm) durch das Stapeln von strukturierten 2D-Blöcken mittels wiederholter Lithographie-, Materialabscheidungs- und Planarisierungsprozesse ausgewählt werden. Die gesamte Linse hat eine Dicke von 1,5λ und bietet viel Platz für komplexe elektromagnetische Wechselwirkungen bei gleichzeitiger Einhaltung einer um Größenordnungen geringeren Dicke im Vergleich zu herkömmlichen Multilinsen-Systemen. Die Linse ist um vier Einfallswinkel aberrationskorrigiert {0°, 7.5°, 15°, 20°} sowie um ihre negativen Gegenstücke {-7.5°,-15°,-20°}. Es ist zu beachten, dass der größtmögliche Winkel für die beugungsbegrenzte Fokussierung z. B. ≈ 21° sein kann und durch die numerische Apertur bestimmt wird. Der Einfachheit halber kann das Verfahren die außerachsiale Ausbreitung in der xy-Ebene mit einem s-polarisierten elektrischen Feld
E = E(r)ẑ parallel zur Richtung der Gitter berücksichtigen. Die FDTD-Analyse des Fernfeldes (siehe 2(b)) zeigt Fokussierungsaktionen mit beugungsbegrenzten Intensitätsprofilen (2(c)), während die Übertragungswirkungsgrade für die vier Winkel durchschnittlich etwa 25 % betragen. Um die Abweichung des Designs vom vorhergesagten Phasenprofil zu bewerten, wird die Wellenaberrationsfunktion (WAF) für jeden Winkel berechnet, wobei WAF{0°, ±7.5°, ±15°, ±20°} = (0.07, 0.04, 0.06, 0.08) erhalten wird, die das Marechalkriterium WAF ≤ 1/14 mit Ausnahme des 20° Einfallswinkels eindeutig erfüllen. Die Fehler im letzteren Fall ergeben sich in erster Linie aus der Schwierigkeit, die Extremitäten der Linse zu optimieren, die durch eine Vergrößerung der optimierten Linsenfläche (oder dem Design einer größeren NA) gemildert werden können. Es ist zu beachten, dass die in dem optimierten Design erkennbaren Restphasenfehler in erster Linie darauf zurückzuführen sind, dass das optimale Design als binär bezeichnet wird, während es durch eine endliche Auflösung eingeschränkt ist. In einigen Ausführungsformen kann das Bauteil eine räumliche Auflösungsschrittweite Δr = λ/50 über eine 23λ-lange Simulationsdomäne aufweisen, während unser Optimierungsalgorithmus etwa 5600 Freiheitsgrade erreicht. Diese Parameter können durch die verfügbaren endlichen Rechenressourcen bestimmt werden. Ohne die binäre Einschränkung (z. B. wenn jeder DOF Zwischenwerte zwischen 0 und 1 annehmen darf), können die optimalen Designs Phasenprofile mit WAFs kleiner als 0,01 erreichen. In einigen anderen Ausführungsformen, mit besseren Berechnungsmöglichkeiten, wird die Optimierung über Domänen mit höherer Auflösung zu binären Strukturen führen, die auch das Verschwinden von WAF ≈ 0 erhalten.
3(a) zeigt eine mehrschichtige Miniatur 2D-Linse (NA = 0,35, f = 30 λ), die eine achsiale Fokussierung für die Einfallswinkel {0◦,±3◦,±6◦,±9◦} aufweist. Die Linsenmaterialien beinhalten zehn Schichten Silizium (schwarz) in einer Siliziumdioxidmatrix (grau). Ein Teil der Linse ist vergrößert, um eine einfache Visualisierung zu ermöglichen (Inset); die kleinsten Merkmale (z. B. die, die von gestrichelten ovalen Linien umgeben sind) messen 0,02 λ, während die Dicke jeder Schicht 0,05 λ beträgt.
3(b) zeigt Ergebnisse einer FDTD-Analyse der Fernfeldprofile (Dichteplots), die für die verschiedenen Einfallswinkel den gleichen Fokuspunkt aufweisen. Es ist zu beachten, dass die Fokusebene durch eine gestrichelte Linie gekennzeichnet ist. 3(c) zeigt, dass die Intensitäten (symbolische Datenpunkte) in der Fokusebene der achsialen Beugungsgrenze für alle Einfallswinkel (durchgezogene Linie) folgen. 3(d) zeigt das entsprechende Phasenprofil (Kreisdatenpunkte) für jeden Winkel, das in einem Abstand von 1,5 λ vom Bauteil gemessen wird und eine gute Übereinstimmung mit dem vorhergesagten Profil (durchgezogene Linie) zeigt. 3(e) zeigt Nahfeldprofile mit ausgehenden Kugelwellenfronten.
In einigen Ausführungsformen kann eine 2D-Meta-Linse das Licht unabhängig vom Einfallswinkel auf denselben Punkt fokussieren (1(b))-ein Bauteil, das auch als winkelkonvergente Meta-Linse bezeichnet wird. Konkret wird das folgende Phasenprofil: $ϕ (r) = ϕ_{0} (θ_{i n c}) - \frac{2 π}{λ} (\sqrt{f^{2} + {(r - r_{0})}^{2}} - f)$
auf das abgehende Feld unter mehreren diskreten Einfallswinkeln {0°, ±3°, ±6°, ±9°} aufgezwungen. Die Linse hat eine NA von 0,35 und eine Brennweite von 30λ. Die Linsenmaterialien können zehn Schichten aus 0,05λ dickem Silizium in Siliziumdioxid beinhalten, die durch 0,05λ Lücken getrennt sind (3(a)), wodurch die gesamte Vorrichtung etwa 1 λ dick wird. Ein solches Bauteil kann mit Hilfe fortschrittlicher 3D-Photonik-Integrationstechniken hergestellt werden. Die Fernfeldanalyse (3(b)) zeigt die Fokussierungsaktion am gleichen Fokuspunkt für alle Winkel. Obwohl die Feldintensitäten am Fokuspunkt aufgrund von Restphasenfehlern möglicherweise nicht genau dem Profil einer idealen Airy-Scheibe folgen, erfüllt ihre Bandbreite (auch bekannt als die volle Halbwertsbreite) eindeutig das Beugungslimit (3(c)). Die beugungsbegrenzte Fokussierung steht auch im Einklang mit kleinen WAFs, die das Marechal-Kriterium erfüllen: WAF{0°, ±3°, ±6°, ±9°} = (0,02, 0,04, 0,04, 0,02) < 1/14. Der Übertragungswirkungsgrad des Bauteils liegt über alle Winkel hinweg bei durchschnittlich 15 %.
Es versteht sich, dass die Anzahl, Positionierung und Dicke der Schichten in den Ausführungsformen beliebig gewählt werden. Es ist möglich, dass je nach gewünschtem Leistungsniveau mit weniger/mehr und/oder dickeren/dünneren Schichten geeignete Designs erzielt werden können, was das gesamte Bauteil noch dünner und leichter herstellbar machen kann.
Es ist auch zu verstehen, dass, während die offenbarten Ausführungsformen die Phasensteuerung beschreiben, in einigen Ausführungsformen der offenbarten Technologie die Steuerung zusätzlicher Merkmale wie der Amplitudengleichmäßigkeit und hoher Effizienzbegrenzungen hinzugefügt werden können. So kann beispielsweise eine volldimensionale (3D) mehrschichtige Bauteilplattform den zusätzlichen Anforderungen der Optimierung gerecht werden. Die mehrschichtigen volumetrischen Strukturen (z. B. nicht mehr als ein paar Wellenlängen dick) können dazu beitragen, beispiellose Wellenfront-Manipulationsmöglichkeiten im Nanobereich zu schaffen, die Phasen-, Intensitäts- und Polarisationskontrolle sowie spektrale und winklige Dispersionstechnik in einem einzigen Bauteil umfassen. So könnte beispielsweise die Herstellung von mehrschichtigen Nanostrukturen z. B. im mittleren bis fernen Infrarot-IR-Bereich durch 3D-Fertigungstechnologien wie Zwei-Photonen-Lithographie, Laserschreibprozesse, fortgeschrittenen Foundry-Zugang sowie ultrahochauflösende EUV-Lithografie (extrem ultraviolett) möglich sein.
In einigen Ausführungsformen weist eine mehrschichtige Linse oder eine optische Vorrichtung eine Designwellenlänge auf und fokussiert das Licht auf einen Fokuspunkt, unabhängig oder unabhängig von Lichteinfallswinkeln der Designwellenlänge, sodass eine Position einer Spitzenintensität, die dem Fokuspunkt zugeordnet ist (über einen Bereich der Einfallswinkel), innerhalb eines Variationsbereichs von weniger als oder gleich ±10 % der Designwellenlänge liegt, wie beispielsweise kleiner als oder gleich ±5 %, kleiner als oder gleich ±4 %, kleiner als oder gleich ±3 %, kleiner als oder gleich ±2 %, kleiner als oder gleich ±1 %, kleiner als oder gleich ±0,5 %, kleiner oder gleich ±0,1 %, oder kleiner oder gleich ±0,05 %. In einigen Ausführungsformen liegt die Designwellenlänge im Ultraviolettbereich, im sichtbaren Bereich, im Nahinfrarotbereich oder im Ferninfrarotbereich. In einigen Ausführungsformen beträgt der Bereich der Einfallswinkel etwa 3 Grad oder mehr, etwa 6 Grad oder mehr oder etwa 9 Grad oder mehr.
Wie hierin verwendet, können die singulären Begriffe „ein“, „eine“, „eines“ und „der/die/das“ mehrere Verweise beinhalten, es sei denn, der Kontext verlangt eindeutig etwas anderes.
Räumliche Beschreibungen, wie „über“, „unterhalb“, „oben“, „links“, „rechts“, „unten“, „oberste“, „unterste“, „vertikal“, „horizontal“, „seitlich“, „höher“, „niedriger“, „obere/s/r“, „ober“, „unter“, usw., werden in Bezug auf die in den Figuren 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. Für Fachleute versteht es sich, 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 Zeichnungen sind nicht unbedingt maßstabsgetreu. 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 den Gegenstand, den Geist und den Umfang der vorliegenden Offenbarung anzupassen. Alle diese Änderungen sollen im Umfang der hier beigefügten Ansprüche erfolgen. Obwohl die hierin offenbarten Methoden in Bezug auf bestimmte Operationen beschrieben wurden, die in einer bestimmten Reihenfolge durchgeführt werden, 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 Operationen, sofern hierin nicht ausdrücklich angegeben, keine Einschränkungen der vorliegenden Offenbarung dar.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 62522030 [0001]

Claims

Mehrschichtige Linse, umfassend: eine Vielzahl von Metaoberflächenschichten, wobei mindestens einige Schichten der Vielzahl von Metaoberflächenschichten Merkmale aufweisen, die eine Steuerung des Phasenwinkels bewirken; wobei Phasenwinkel der mindestens einigen Schichten eine Winkelaberrationskorrektur oder eine Winkelkonvergenz bewirken, die Licht auf einen Fokuspunkt unabhängig von Einfallswinkeln fokussiert.
Mehrschichtige Linse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede Schicht der Vielzahl von Metaoberflächenschichten eine Dicke aufweist, die geringer ist als eine Designwellenlänge der mehrschichtigen Linse.
Mehrschichtige Linse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jede Schicht der Vielzahl von Metaoberflächenschichten von einer benachbarten Schicht der Vielzahl von Metaoberflächenschichten um weniger als die Designwellenlänge der mehrschichtigen Linse beabstandet ist.
Mehrschichtige Linse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jede Schicht der Vielzahl von Metaoberflächenschichten von einer benachbarten Schicht der Vielzahl von Metaoberflächenschichten durch einen Nullabstand getrennt ist.
Mehrschichtige Linse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gesamtdicke der Vielzahl von Metaoberflächenschichten größer oder gleich der Designwellenlänge der mehrschichtigen Linse ist.
Mehrschichtige Linse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkelkonvergenz Licht auf den Fokuspunkt in einer Fokusebene unabhängig von Einfallswinkeln fokussiert.
Mehrschichtige Linse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mehrschichtige Linse zwei verschiedene Winkelantworten für jeweils zwei orthogonale Polarisationen des Lichts umfasst.
Mehrschichtige Linse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mehrschichtige Linse eine Amplitude, eine Phase und einen Polarisationszustand eines einfallenden Lichts über ein Set von Einfallswinkeln steuert.
Mehrschichtige Linse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Merkmale der Metaoberflächenschichten ein erstes Material mit einem ersten Brechungsindex umfassen, und die Merkmale in ein zweites Material mit einem zweiten Brechungsindex, der niedriger als der erste Brechungsindex ist, eingebettet sind.
Mehrschichtige Linse nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Material Silizium ist und das zweite Material Siliziumdioxid oder Aluminiumoxid ist.
Eine optische Vorrichtung, umfassend: ein Substrat; und eine Vielzahl von Metaoberflächenschichten, die auf dem Substrat angeordnet sind, wobei mindestens einige Schichten der Vielzahl von Metaoberflächenschichten Merkmale aufweisen, die eine Steuerung des Phasenwinkels bewirken; wobei Phasenwinkel der mindestens einigen Schichten eine Winkelaberrationskorrektur oder eine Winkelkonvergenz bewirken, die Licht, unabhängig von Einfallswinkeln, auf einen Fokuspunkt fokussiert.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass jede Schicht aus der Vielzahl von Metaoberflächenschichten eine Dicke aufweist, die geringer ist als eine Designwellenlänge der optischen Vorrichtung.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass jede Schicht der Vielzahl von Metaoberflächenschichten von einer benachbarten Schicht der Vielzahl von Metaoberflächenschichten um weniger als die Designwellenlänge der optischen Vorrichtung beabstandet ist.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass jede Schicht der Vielzahl von Metaoberflächenschichten von einer benachbarten Schicht der Vielzahl von Metaoberflächenschichten durch einen Nullabstand beabstandet ist.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gesamtdicke der Vielzahl von Metaoberflächenschichten größer oder gleich der Designwellenlänge der optischen Vorrichtung ist.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkelkonvergenz Licht auf den Fokuspunkt in einer Fokusebene unabhängig von Einfallswinkeln fokussiert.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Vorrichtung zwei verschiedene Winkelantworten für jeweils zwei orthogonale Polarisationen des Lichts umfasst.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Vorrichtung eine Amplitude, eine Phase und einen Polarisationszustand eines einfallenden Lichts über ein Set von Einfallswinkeln steuert.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Merkmale der Metaoberflächenschichten ein erstes Material mit einem ersten Brechungsindex umfassen, und die Merkmale in ein zweites Material mit einem zweiten Brechungsindex, der niedriger als der erste Brechungsindex ist, eingebettet sind.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Material Silizium ist und das zweite Material Siliziumdioxid oder Aluminiumoxid ist.