JP2022502715A - 異方性ナノ構造を備えた、広帯域、無彩色、かつ偏光非感受性のメタレンズ - Google Patents
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Abstract
Description
本PCT出願は、その内容全体が本明細書に組み入れられる、2018年9月25日に提出された米国特許仮出願第62/736,420号「BROADBAND ACHROMATIC POLARIZATION-INSENSITIVE METALENS WITH ANISOTROPIC NANOSTRUCTURES」に対する優先権を主張する。
本発明は、米国空軍科学研究局(Air Force Office of Scientific Research)が授与したFA9550-14-1-0389およびFA9550-16-1-0156、ならびに米国国防高等研究計画局(Defense Advanced Research Projects Agency)が授与したHR00111810001による政府資金援助を受けて行われた。米国政府は本発明における一定の権利を有する。
インターフェース部にサブ波長間隔のナノ構造を具備するメタ表面は、位相、振幅、および偏光を含む光の性質を正確に制御する方式を提供する。このことは、非常にコンパクトかつ効率的なデバイスの可能性をもたらす。これらデバイスの中でも、メタレンズは、消費者製品(例えば、電話用カメラ、仮想現実または拡張現実用のヘッドセット)ならびに産業用製品(例えば、顕微鏡、リソグラフィ、センサー、およびディスプレイ)の両方に適用可能であることから、強い関心を呼んでいる。
メタ表面は、コンパクトかつウェアラブルな光学デバイスの需要の高まりから、幅広い注目を集めている。多くの用途に対して、偏光非感受性のメタ表面は非常に望ましいが、その構成要素の選択は等方性のナノ構造に限定されているようである。このことは、各ナノ構造の設計において利用できる幾何学パラメータの次数を大きく制限する。
(図2)図1Aに示したメタレンズについて、位相、群遅延、および群遅延分散の指定値と実現値との比較を図示する。図2Aは、シミュレーションライブラリ内の全要素についての位相、群遅延、および群遅延分散と、指定値とを示している。90度回転により、群遅延および群遅延分散を変化させることなくπの位相変化を付与することができるので、このプロットにおいて各要素は2つの関連ポイントによって表されている。図2B、2C、および2Dは、偏光非感受性かつ無彩色のメタレンズを横切る各半径座標における、位相、群遅延、および群遅延分散の実現値(円)と指定値(曲線)とを示している。
(図3)無彩色メタレンズおよび回折メタレンズについて測定されたフォーカルスポットプロフィールと効率とを図示する。測定したメタレンズは、NA = 約0.2 と、λ = 約560 nm において約67 μmの焦点距離とを有する。図3Aは、可視域内のそれぞれの波長(プロット左側にナノメートルで標示)に対応する、y-z平面内で測定された強度分布を示している。左右のパネルはそれぞれ無彩色メタレンズおよび回折メタレンズに対応する。対照サンプルとしての後者は、分散の技術処理(dispersion engineering)を伴わずに実現されてもよく、そしてフレネルレンズに類似した焦点距離シフトを有する。入射光は正のz軸に沿って移動する。図3Bは、無彩色メタレンズ(上図)および回折メタレンズ(下図)について、図3Aの白い破線に沿った正規化強度プロフィールを示している。破線のポジションは λ = 約460 nm における焦点距離に対応する。図3Cは、無彩色メタレンズの効率を、直線偏光した入射光の角度の関数として約4°きざみで示している。照明光源は、約532 nmの単一波長のダイオードレーザーと、約570 nmを中心に約200 nmの帯域幅を備えたチューナブル広帯域レーザー(tunable broadband laser)とが交互になっている。単色光源および広帯域光源を用いて測定された効率が、それぞれ上および下のシンボルによって表されている。挿入図はフォーカルスポットプロフィールを示しており、上列および下列は、それぞれダイオード(単色)レーザーおよびチューナブル広帯域レーザーの照明に対応している。入力光の偏光が上部に標示されており、スケールバーは約2 μmである。
(図4)偏光非感受性の位相勾配メタ表面についての効率のシミュレーションを図示する。図4Aは設計されたメタ表面のレイアウトを示す。同メタ表面は、約530 nmの設計波長において垂直入射ビームを約15度の角度に偏向させるように幾何学形状および配向が選択された、互いに平行および垂直であるナノフィンを含む。下のパネルは、目標とする位相および実現された位相を、それぞれ直線および円で示している。図4Bは、x偏光入射下における正規化遠方界パワーを、入射波長および回折角の関数として示している。図4Cは、本発明のメタ表面についての回折効率を、直線偏光下および円偏光下について可視スペクトルにわたって示している。偏光角がy軸上に標示されており、一方、最後の2つの列は右回り偏光および左回り偏光の場合を示している。各波長において、効率は比較的一定した値に維持されており、ゆえに偏光不感受性であることを示している。
(図5)無彩色かつ偏光非感受性メタレンズのストレール比およびフォーカルスポットサイズを図示する。図5Aはストレール比を入射波長の関数として示している。ストレール比は、二次メインローブ(second main lobe)内のパワーが等しいという仮定のもと、測定されたフォーカルスポットのピーク強度を、理論上のエアリーディスクのピーク強度で除算することによって計算されうる。図5Bは測定されたフォーカルスポットの半値全幅(FWHM)を示している。破線は、
によって与えられる理論上のフォーカルスポットサイズを示している;同式において、λは入射波長であり、NAは値が約0.2である開口数である。
(図6)各ライブラリ要素の偏光変換効率を、設計波長 λd = 約560 nm における群遅延(GD)および群遅延分散(GDD)の関数として図示する。各ライブラリ要素の偏光変換効率(%)が示されている。偏光変換効率は、ガラスと空気との界面を通って伝送されるパワーに対して正規化されてもよい。
(図7)有彩色メタ表面ビームデフレクタの絶対効率を図示する。有彩色メタ表面ビームデフレクタの絶対効率が、すべての入射直線偏向および両方の入射円偏光について、可視スペクトルにわたって示されている。絶対効率は、約15°に回折されたパワーを全入射パワーで除算したものとして定義されてもよい。
可視スペクトルにおけるメタレンズの広帯域な無彩色集束性能を開発することに注力した、種々の取り組みが行われている。しかし、これらメタレンズは、例えば特定の円偏光を伴って光を集束させうるなど、偏光感受性という難点を抱えている。この課題は、対称的な円柱形または正方形のナノピラーを用いることによって克服されうる。しかし、そうすることによって、対称性のゆえに設計空間における自由度が失われる。
広帯域の入射ビームを回折限界スポット内に無彩色で集束させるには、メタレンズは、次式で与えられる空間依存的かつ周波数依存的な位相プロフィールを付与する:
上式において、r、ω、およびFは、それぞれレンズの半径座標、角振動数、および一定した焦点距離である。式1のテイラー展開である次式
は、どのレンズ座標rにおいても満たされるべき、望ましい位相 φ(r,ωd) と、群遅延
と、群遅延分散
とを同定する。式2における各項を直観的に理解する1つのやり方は、入射光を波束として扱うことである。望ましい位相プロフィールは入射波束を焦点に向かって送り、一方、一次微分項および高次微分項は、それぞれ、入射波束が焦点に同時に到達することおよび時間領域内でまったく同じように到達することを確実にする。ここでの課題は、選択されるナノ構造が、どのレンズ座標においても式2の各微分項を満たすということである。いくつかの態様において、いくつかの設計では、位相 φ(r,ωd) を分散(群遅延および群遅延分散)から切り離すため、幾何学的位相(またはPancharatnam-Berry位相)の原理を利用した。しかし、このアプローチは望ましくない偏光感受性も伴う;換言すると、これらメタレンズは特定の円偏光を伴って入射光を集束させる可能性がある。
は、それぞれ、入射光の正規化電界がナノフィンの長軸および短軸に沿って偏光される時の複素透過係数を表す。α項は、x軸に関するナノフィンの反時計回り回転角として定義される。式3の第一項は、望ましくない散乱を引き起こす可能性があるが、ナノフィンが微小な半波長板として設計されていれば最小化できる。この場合は、第二項の振幅
が増大し、それは最大の偏光変換効率に対応する。第二項における exp±i2α は、偏光変換された項を伴っており、Pancharatnam-Berry位相の由来を示している。左回り円偏光入射下において、αの回転は、
によって決定される分散に影響を及ぼすことなく、周波数非依存的な2αの位相を右回り円偏光出力光に付与する。このことは偏光感受性をもたらす可能性がある;なぜなら、左円偏光および右円偏光(LCPおよびRCP)を受けた入射光下でそれぞれ得られる expi2α および exp-i2α の値は同一ではないからである。しかしそれらの値は、ナノフィンをおよそ α = 0°またはおよそ α = 90°でアレンジすると等しくなる。したがって、互いに平行または垂直のいずれかであるナノフィンを含むメタ表面と相互作用した際に、RCP入射光およびLCP入射光の両方が、同じ位相プロフィールとなる可能性がある。いかなる入射偏光もLCPとRCPとの組み合わせに分解できるので、この性質は、本発明のメタ表面が偏光非感受性であることを含意する。図1Cは、式3によって予測される結果を確認している。メタレンズ要素が、RCP入射(直線)およびLCP入射(円)に対して同じ位相を提供し、そして、所与の円偏光入射に対して、90度回転が、群遅延(傾き)および群遅延分散(曲率)に影響を及ぼすことなくπ位相シフトを付与する。
偏光非感受性かつ無彩色のメタレンズの設計は、図1Aの挿入図に示した要素をパラメータ掃引してライブラリを構築することから始まってもよい。そのプロセスには、λ = 約530 nm における各要素の位相、ならびにその群遅延および群遅延分散を得るため、有限差分時間領域(FDTD)ソルバーが用いられてもよい。図2Aに、各要素について、約530 nmの設計波長における、位相、群遅延、および群遅延分散という3つの関心対象の数量を示す。1万超の幾何学的な組み合わせが存在する可能性があり、それは、分散を微細チューニングするための密なドット散布図をもたらす。注意されたい点として、図1Cに概略を示した原理により、90度回転された要素は、その分散の値の変化を伴わずに、すべての周波数についてπ位相シフトを受ける可能性がある。その結果としてライブラリを拡張することが可能であり、それは、直径約26.4 μm、 NA = 約0.2 の無彩色メタレンズについて式1に基づき計算された、望ましい位相と分散とをより良好に実施することを可能にする。
無彩色かつ偏光非感受性のメタレンズは、例えば、電子ビームリソグラフィと、それに続くTiO2 の原子層堆積、そしてレジスト除去を用いて作製されてもよい。作製されたデバイスの性能を、直径およびNAが同じである回折メタレンズと比較する。比較用の回折メタレンズは、長さおよび幅が同じであるが回転角がさまざまであるナノフィンを用いて設計されてもよい。回折メタレンズは、分散の技術処理を伴わない場合を表し、そしてフレネルレンズに類似した焦点距離シフトを有してもよい。
Claims (15)
- 広帯域入射光ビームを回折限界スポットに集束させる光学プロフィールを規定する複数の異方性ナノスケール要素を含む、メタ表面
を具備し、
該光学プロフィールが、該広帯域入射光ビームの偏光状態に対して非感受性であり、かつ該入射光の波長に応じて適応可能(tailorable)である
光学デバイス。 - 異方性ナノスケール要素の各々が多数のナノ構造を含む、請求項1記載の光学デバイス。
- 異方性ナノスケール要素が、分散の変化を伴わず90度回転による追加的なπ位相シフトを付与するという自由をもたらし、該分散が、波長に伴う位相遅延の変化に対応する、請求項2記載の光学デバイス。
- 位相項と、群遅延項と、群遅延分散項とをチューニングして、波長に伴って適応可能な光学プロフィールを付与するため、異方性ナノスケール要素のナノ構造の長さおよび幅がさまざまである、請求項2記載の光学デバイス。
- 異方性ナノスケール要素が、TiO2、GaN、Si3N4、SiO2、Al2O3、または可視スペクトルにおいて無損失である他の光学ガラスで作られる、請求項2記載の光学デバイス。
- 異方性ナノスケール要素の各々が、隣り合う1つの異方性ナノスケール要素と実質的に平行かまたは実質的に垂直のいずれかにアライメントされる、請求項1記載の光学デバイス。
- 広帯域入射光ビームが複数の波束を含み、
光学プロフィールが、回折限界スポットに向かって該波束が伝送されるように異方性ナノスケール要素のパラメータを指定する位相項を含む、
請求項1記載の光学デバイス。 - 広帯域入射光ビームが複数の波束を含み、
光学プロフィールが、回折限界スポットに該波束が同時に到達するように異方性ナノスケール要素のパラメータを指定する群遅延項を含む、
請求項1記載の光学デバイス。 - 群遅延項が光学プロフィールの一次微分項である、請求項8記載の光学デバイス。
- 広帯域入射光ビームが複数の波束を含み、
光学プロフィールが、回折限界スポットに到達する該波束が時間領域内で同一の幅を有するように異方性ナノスケール要素のパラメータを指定する群遅延分散項を含む、
請求項1記載の光学デバイス。 - 群遅延分散項が光学プロフィールの二次微分項である、請求項10記載の光学デバイス。
- 入射光の波長が可視スペクトル内にある、請求項1記載の光学デバイス。
- 光を異なる回折角に効率的に分散させる光学プロフィールを付与する複数の異方性ナノスケール要素を含む、メタ表面
を具備し、
該光学プロフィールが、広帯域入射光ビームの偏光状態に対して非感受性であり、かつ波長に伴う変化をせずに維持される
光学デバイス。 - 光学プロフィールが、レンズ、グレーティング、またはアキシコンの光学プロフィールである、請求項13記載の光学デバイス。
- 光学デバイスの光効率が、入射光のパワーと比較して60%より高い、請求項13記載の光学デバイス。
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