近红外超透镜的设计与制备

摘要: 超透镜是基于超表面的成像器件，能够精确调控光的相位、偏振、振幅，具有轻薄、易集成、平面化的优点。针对近红外成像器件的小型化、集成化发展趋势，基于非晶硅材料设计制备了近红外偏振不敏感超透镜。针对超透镜的基元结构选择问题，对比了采用8阶、6阶基元设计的超透镜聚焦效率；为提高加工容差和降低加工难度，采用了最大深宽比为6的8阶基元设计超透镜；针对超透镜仿真与加工之间跨度大的问题，利用化学气相沉积的方法生长了600 nm厚度的多晶硅，利用电子束刻蚀等工艺制备了超透镜样品。测试结果表明：超透镜形貌结构良好，聚集效率为65%。

关键词: 近红外；超透镜；时域有限差分；制备；测试

引言

传统光学元件采用面形变化来实现特定的相位分布，从而实现相应的功能器件，系统体积和重量通常较大。近年来，超表面电磁调控技术由于其精准调控相位、偏振、振幅等多种参量的能力成为当前的研究热点。超透镜是基于超表面的成像器件，具有平面化、轻量化、易集成等优点，受到国际国内的大量研究[5-8]。哈佛大学Capasso团队基于二氧化钛的超表面设计制备了聚集波长为405 nm、532 nm和660 nm，聚焦效率分别为86%、73%和66%的超透镜，数值孔径为0.8，可以分辨亚波长距离的nm级特征，并提供高达170×的放大倍数[7]。台湾大学苏国栋团队开发了一个数值孔径为0.25的广角超透镜，提供了170°视场，工作波长532 nm，正常入射时聚焦效率高达82%，85°入射时聚焦效率高达45%。航天工程大学陈向宁教授团队基于传输相位和几何相位设计了正交圆偏振光同时聚焦的超透镜，用平面超透镜实现了偏振分光、聚焦成像的多功能器件。哈尔滨工业大学金鹏教授团队设计实现了平行偏振照明的多焦点偏振成像器件。

近红成像技术是当今迅速发展的高新技术之一，通过探测目标与背景的红外强度差异，实现对目标的发现、识别和跟踪，具有被动工作、抗干扰能力强、目标识别能力强、全天候工作等特点，已经广泛应用于军事侦查、监视和制导等方面。当前红外成像设备的发展趋势是集成化、轻量化。

综上所述，结合红外成像设备发展趋势和超透镜轻量化、易集成的优势，本文对近红外超透镜进行探索研究和设计加工。根据近红外波段材料透明和容易加工制备等方面选择非晶硅材料；针对超透镜基元结构选择问题，本文对比了8阶、6阶基元的超透镜聚集效率；针对降低超透镜加工难度和增加镜头结构稳定性等实际应用需求，本文采用最大深宽比为6的柱形结构实现超透镜，利用兼容互补型金属氧化物半导体（complementary metal oxide semiconductor，CMOS）加工工艺制备近红外偏振不敏感硅基超透镜，为下一步超透镜的实用化做出探索。

1.原理与设计步骤

超透镜由亚波长光栅组成，通过调控光栅内结构的形状、旋转方向、高度等参数实现对光的偏振、相位和振幅等属性进行任意操控。超透镜的相位调控原理主要包括传输相位、几何相位、电路相位和多种原理融合相位等。传输相位主要通过调控光栅结构的长宽进而改变光栅等效折射率实现相位调控；几何相位主要通过控制光栅结构的旋转方向实现对圆偏振光的相位调控；电路相位通过加电压等方式实现，在近红外波段效率较低。因此本文采用传输相位实现近红外超透镜的设计。

传输相位通过改变亚波长光栅的尺寸结构实现相位调控，具体原理如（1）式所示：

式中：ϕ表示折射率改变引起的相位差；λ是波长；neff是等效折射率；d是高度。超透镜通过调节neff实现在特定波长和特定高度条件下的波前控制，实现平面化的光学器件，降低光学镜头的重量。

根据近红外波长材料透明和加工技术成熟度等因素，本文选择非晶硅材料设计制备超透镜；根据使用方便等因素设计透射式成像。在确定了相位调控原理、材料和成像模式后，超透镜的设计可以分为3个步骤。

1）根据材料参数构建2π相位库

通过变化亚波长光栅周期、结构尺寸、高度等参数，扫描单个亚波长光栅结构的光学响应，主要包括偏振、相位、透射率等。根据扫描结果选择能够实现0～2π相位变化且透射率较高的结构尺寸作为相位基元库。

2）根据目标相位构建超透镜

根据偏振、视场、离轴角度等参数确定超透镜的波前相位分布，然后依超透镜相位分布和相位基元库，利用插值、人工选择基元等方法构建超透镜。

3）仿真与效率计算

在FDTD（finite-difference time-domain）等软件中对超透镜设计结果进行仿真、验证。主要仿真结果包括焦距、焦斑尺寸、聚集效率等。

2. 超透镜设计

2.1 单元结构

为实现偏振不敏感超透镜设计，单元结构形状必须为圆形/正方形等类似对称结构，避免对不同偏振光产生不同的响应，结合形状棱角边缘加工精度和误差问题，本文采用纳米柱作为单元结构。纳米柱单元结构参数包括周期（U）、高度（H）和半径（R）。超透镜硅纳米柱单元结构示意图如图1所示。

图1.硅纳米柱示意图

图4.超透镜相位分布图

图5.焦点示意图

4. 结论

针对近红外镜头的轻量化发展趋势和超透镜的实用化应用需求，本文利用传输相位设计了近红外波长硅基超透镜，仿真对比了8阶基元和6阶基元构建超透镜的聚焦效率；利用COMS兼容的加工工艺制备了样品，测试结果表明超透镜能够成像，聚焦效率为65%。下一步将针对超透镜加工成本高，与仿真设计存在差距等方面进行研究，为红外超透镜的进一步实用化做出探索。

鉴于篇幅，本文仅为节选（应用光学 第42卷 第6期）