近紅外超透鏡的設計與制備

仇宮潤，趙 峰,2，王 琨

（1.61618 部隊，北京 100094；2.航天工程大學 航天信息學院，北京 101416）

引言

傳統(tǒng)光學元件采用面形變化來實現特定的相位分布，從而實現相應的功能器件，系統(tǒng)體積和重量通常較大。近年來，超表面電磁調控技術由于其精準調控相位、偏振、振幅等多種參量的能力成為當前的研究熱點[1-4]。超透鏡是基于超表面的成像器件，具有平面化、輕量化、易集成等優(yōu)點，受到國際國內的大量研究[5-8]。哈佛大學Capasso 團隊基于二氧化鈦的超表面設計制備了聚集波長為405 nm、532 nm 和660 nm，聚焦效率分別為86%、73%和66% 的超透鏡，數值孔徑為0.8，可以分辨亞波長距離的nm 級特征，并提供高達170×的放大倍數[7]。臺灣大學蘇國棟團隊開發(fā)了一個數值孔徑為0.25 的廣角超透鏡，提供了170°視場，工作波長532 nm，正常入射時聚焦效率高達82%，85°入射時聚焦效率高達45%[9]。航天工程大學陳向寧教授團隊基于傳輸相位和幾何相位設計了正交圓偏振光同時聚焦的超透鏡，用平面超透鏡實現了偏振分光、聚焦成像的多功能器件[10]。哈爾濱工業(yè)大學金鵬教授團隊設計實現了平行偏振照明的多焦點偏振成像器件[11]。

近紅成像技術是當今迅速發(fā)展的高新技術之一，通過探測目標與背景的紅外強度差異，實現對目標的發(fā)現、識別和跟蹤，具有被動工作、抗干擾能力強、目標識別能力強、全天候工作等特點，已經廣泛應用于軍事偵查、監(jiān)視和制導等方面[12-13]。當前紅外成像設備的發(fā)展趨勢是集成化、輕量化。

綜上所述，結合紅外成像設備發(fā)展趨勢和超透鏡輕量化、易集成的優(yōu)勢，本文對近紅外超透鏡進行探索研究和設計加工。根據近紅外波段材料透明和容易加工制備等方面選擇非晶硅材料；針對超透鏡基元結構選擇問題，本文對比了8 階、6 階基元的超透鏡聚集效率；針對降低超透鏡加工難度和增加鏡頭結構穩(wěn)定性等實際應用需求，本文采用最大深寬比為6 的柱形結構實現超透鏡，利用兼容互補型金屬氧化物半導體（complementary metal oxide semiconductor，CMOS）加工工藝制備近紅外偏振不敏感硅基超透鏡，為下一步超透鏡的實用化做出探索。

1 原理與設計步驟

超透鏡由亞波長光柵組成，通過調控光柵內結構的形狀、旋轉方向、高度等參數實現對光的偏振、相位和振幅等屬性進行任意操控。超透鏡的相位調控原理主要包括傳輸相位、幾何相位、電路相位和多種原理融合相位等。傳輸相位主要通過調控光柵結構的長寬進而改變光柵等效折射率實現相位調控；幾何相位主要通過控制光柵結構的旋轉方向實現對圓偏振光的相位調控；電路相位通過加電壓等方式實現，在近紅外波段效率較低。因此本文采用傳輸相位實現近紅外超透鏡的設計。

傳輸相位通過改變亞波長光柵的尺寸結構實現相位調控[14]，具體原理如（1）式所示：

式中：φ表示折射率改變引起的相位差；λ 是波長；neff是等效折射率；d是高度。超透鏡通過調節(jié)neff實現在特定波長和特定高度條件下的波前控制，實現平面化的光學器件，降低光學鏡頭的重量。

根據近紅外波長材料透明和加工技術成熟度等因素，本文選擇非晶硅材料設計制備超透鏡；根據使用方便等因素設計透射式成像。在確定了相位調控原理、材料和成像模式后，超透鏡的設計可以分為3 個步驟。

1）根據材料參數構建2π 相位庫

通過變化亞波長光柵周期、結構尺寸、高度等參數，掃描單個亞波長光柵結構的光學響應，主要包括偏振、相位、透射率等。根據掃描結果選擇能夠實現0～2π 相位變化且透射率較高的結構尺寸作為相位基元庫。

2）根據目標相位構建超透鏡

根據偏振、視場、離軸角度等參數確定超透鏡的波前相位分布，然后依超透鏡相位分布和相位基元庫，利用插值、人工選擇基元等方法構建超透鏡。

3）仿真與效率計算

在FDTD（finite-difference time-domain）等軟件中對超透鏡設計結果進行仿真、驗證。主要仿真結果包括焦距、焦斑尺寸、聚集效率等。

2 超透鏡設計

2.1 單元結構

為實現偏振不敏感超透鏡設計，單元結構形狀必須為圓形/正方形等類似對稱結構，避免對不同偏振光產生不同的響應，結合形狀棱角邊緣加工精度和誤差問題，本文采用納米柱作為單元結構。納米柱單元結構參數包括周期（U）、高度（H）和半徑（R）。超透鏡硅納米柱單元結構示意圖如圖1所示。

圖1 硅納米柱示意圖Fig.1 Schematic diagram of silicon nanopillar

在確定的周期U和高度H情況下，通過調整半徑R實現0～2π 相位調控。在FDTD 軟件中構建單元結構仿真模型，設置入射光波長為800 nm；x，y方向邊界條件為周期性，z方向邊界條件為完美吸收層。硅納米柱材料參數選擇FDTD 軟件中Si（Silicon）- Palik；襯底材料為二氧化硅（SiO2），材料參數選擇FDTD 軟件中SiO2（Glass）- Palik。

首先需確定U和H，判斷標準為：在半徑R變化時電場相位能夠覆蓋0～2π 相位區(qū)間且變化速度均一性好，透射率高且一致性好。周期U和高度H的優(yōu)化選擇采用經驗估計和仿真驗證方法。根據經驗估計等方法設置周期U在0.5λ 左右；根據高對比度超透鏡單元結構高度與波長的關系和盡量降低深寬比要求設置高度H在0.5λ～0.97λ范圍。利用仿真確定相位變化范圍和透射率分布，仿真驗證部分結果如圖2所示。掃描參數為：周期U=400 nm，高度H分別為：450 nm、500 nm、550 nm、600 nm、650 nm，半徑R為50 nm～175 nm，基于電子束曝光加工精度和加快仿真速度，掃描點數為10。從相位掃描結果可以看出，高度為450 nm時不能滿足0～360°相位分布，其他高度均能滿足；從透射率掃面結果可以看出600 nm 高度透射

圖2 相位和透射率掃描結果Fig.2 Scanning results of phase and transmittance

率較高且一致性好。為提高加工容錯度，使不同基元之間尺寸變化較大，選擇相位變化較慢的高度，本文選擇600 nm 作為Si 材料高度、400 nm 為周期，最小直徑為100 nm，即最大深寬比為6。

2.2 構建超透鏡

本文設計偏振不敏感超透鏡相位分布如下：

式中：φ（x，y）為超透鏡上任意點相位值；（x，y）為超透鏡上任意點的坐標；λ 為波長；f為透鏡的焦距。本文采用8 階基元和6 階基元擬合超透鏡目標相位，基元示意圖如圖3所示。

圖3 基元結構示意圖Fig.3 Schematic diagram of primitive structure

8 階基元直徑最小差為6 nm，6 階基元直徑最小差為8 nm。本文設計超透鏡直徑為300 μm，焦距為300 μm。依據超透鏡目標相位分布，利用8 階基元和6 階基元離散化超透鏡相位如圖4所示。

圖4 超透鏡相位分布圖Fig.4 Phase distribution diagram of metalens

在FDTD 軟件中構建仿真模型，為加快仿真速度和降低硬件需求，本文采用等比例縮小的仿真模型，仿真模型直徑為10 μm，焦距為10 μm，其中x、y仿真邊界條件為周期性，z方向為完美吸收層。

2.3 仿真分析

仿真完畢后沿z軸查找光強最大點即為焦點，與超透鏡距離為焦距f=9.4 μm，與設計焦距10 μm偏差6%，分析原因為小口徑時FDTD 入射波不是理想平面波。在焦點處構建z平面網格，通過放置

監(jiān)視器或遠場計算等方式觀察聚焦效果。超透鏡聚集效果如圖5所示。

圖5 焦點示意圖Fig.5 Schematic diagram of focus

利用電場積分計算聚焦效率，聚焦效率為xy焦平面以焦點為中心，3 倍半高寬為直徑的圓域內能量與輸入超透鏡的能量的比值。8 階基元超透鏡的聚焦效率為84.1%，6 階基元超透鏡的聚焦效率為82.5%，從聚焦效率考慮，本文選擇8 基元加工樣品。

3 制備與測試

采用CMOS 兼容工藝制備超透鏡，首先為制備硅膜：通過低壓化學氣相沉積在0.5 mm 厚度熔融石英玻璃上沉積600 nm 高度的多晶硅，并利用橢偏儀測量折射率和厚度。如果折射率和高度與仿真值偏離較大則更改溫度、沉積時間等條件再次制備。利用FDTD、Klayout 等軟件繪制超透鏡GDS 版圖，利用電子束光刻將超透鏡圖案定義到抗蝕劑中，通過lift-off 工藝將圖案轉移至鋁掩膜上。通過電感耦合等離子體反應離子刻蝕將圖案轉移到硅膜中，去除鋁掩膜、清洗樣品即可得到超透鏡。超透鏡口徑參厚度小于1 mm，重量小于10 g。樣品掃描電鏡圖如圖6所示。從掃描電鏡圖片中可以看出加工樣品形貌良好，基本滿足設計要求。

圖6 掃描電鏡圖Fig.6 Schematic diagram of scanning electron microscope

樣品測試主要包括樣品表征和成像，樣品表征是指樣品的聚焦效率、焦距等；成像是指在太陽光、LED 等照明條件下成像[15]。測試設備包括超連續(xù)激光器、10×物鏡、50×物鏡、光學調整架、光功率計等。利用光功率計測試超透鏡透光率為88%，聚焦效率為65%，與仿真聚焦效率存在偏差是因為加工形貌存在誤差導致聚集能力變弱。測量超透鏡焦距為300 μm±10 μm，與設計參數一致。在LED 照明條件下，USAF 1951 分辨率版成像效果如圖7所示，分辨率為90.51 lp/mm。

圖7 成像圖Fig.7 Imaging schematic diagram

4 結論

針對近紅外鏡頭的輕量化發(fā)展趨勢和超透鏡的實用化應用需求，本文利用傳輸相位設計了近紅外波長硅基超透鏡，仿真對比了8 階基元和6 階基元構建超透鏡的聚焦效率；利用COMS 兼容的加工工藝制備了樣品，測試結果表明超透鏡能夠成像，聚焦效率為65%。下一步將針對超透鏡加工成本高，與仿真設計存在差距等方面進行研究，為紅外超透鏡的進一步實用化做出探索。