高质量光刻胶微小透镜阵列的制作

本文对光刻胶熔融法制作微小透镜阵列的机理进行了进一步深入的理论和实验研究,特别是提出和研究了非球面表面的形成问题。对微小透镜,特别是非球面形成过程的参数控制,例如对光刻胶小圆柱的高度、熔融光刻胶和基片的接触角的控制进行了较详细的讨论。我们制出了具有较好性能的微小透镜列阵,并给出了测量结果以及实物和成象照片。最后,给出了一种建议采用的实时控制高质量微小透镜列阵形成的装置方案。     

可调谐超构透镜的发展现状

随着新兴光学设备对微型化、一体化、智能化光学变焦系统的需求与日俱增,大大促进了纳米光电子学的迅猛发展。超构透镜是由具有特殊电磁属性的人造元素按照一定的排列方式组成的具有透镜功能的二维平面结构,其最大优点就是:轻薄和易于集成。然而,集成在超构透镜上的微纳结构一旦制备完成,便难以再改变其形貌或者尺寸,因而无法对其聚焦性能进行实时调控,限制了其功能及应用范围的进一步扩展。近年来,科学家们探索了实现超构透镜聚焦性能实时调控的多种途径,其中最引人注目的是将智能材料与超构透镜相结合。本文首先回顾了可调谐超构透镜的最新进展,分别详细阐述和分析了它们的调节原理和器件性能。最后,归纳分析了当前阻碍可调谐超构透镜发展的主要问题,并进一步对未来可调谐超构透镜的发展趋势做出了展望。     

基于伴随仿真的偏振复用超构透镜

偏振成像技术在目标探测、生物医学等领域具有重要应用价值,基于超构表面设计的偏振成像系统可以有效避免传统偏振成像系统存在的结构复杂、体积和质量大等问题,有利于实现光学系统微型化、轻量化和集成化.然而,传统超构表面设计方法忽略了超构表面结构的局部非周期性引起的近场电磁耦合,在大数值孔径的条件下会严重影响器件的衍射效率.为了...     

基于相位梯度超构光栅的光学超构笼子

相位梯度超构光栅为自由操控光或者电磁波传播,以及设计新型功能光子器件提供新的思路.基于突变相位概念和梯度超构光栅中的异常衍射规律,本文设计和研究了一种亚波长金属超构笼子.通过数值模拟和严格的解析计算发现超构笼子囚禁光的能力与周期内单元个数m的奇偶性有关.当单元个数为奇数时,放在超构笼子中的点源几乎可以无阻碍地辐射至笼子外面;而当单元个数为偶数时,放在超构笼子中的点源几乎无法辐射到笼子外面,即所有能量都被局域在笼子中.本研究可以为新型雷达天线罩和光子隔离器件提供新的思路和理论指导.     

超构透镜的色差调控应用

超构表面是由精心设计和排布的亚波长纳米单元组成的平面元件,其可以在微观尺度下调制电磁场,从而实现波前的任意调控.目前,它已被用来灵活地操纵相位、偏振、振幅等各种光学参数.超构透镜是超构表面中相当重要且非常活跃的一个研究方向,由于其厚度在波长量级,与传统光学透镜相比,能够显著增加光学器件的集成度并且降低结构复杂度.但是,...     

用于雪崩光电探测器响应度增强的超透镜设计与仿真

超透镜除了可以实现传统透镜的聚焦和成像功能之外,还可通过对超构单元的设计实现对光场偏振、波长和振幅等的多维度操控,由于体积薄、重量轻、成本低、易集成,其在光电子器件领域中开始崭露头角,已经成为当前的研究热点和重要方向。本文采用时域有限差分算法(Finite-difference time-domain,FDTD)设计并优化了基于InGaAs雪崩探测器原位集成的超透镜,同时估算了超透镜的聚焦效率和透射率。仿真结果表明,超透镜将入射光会聚至探测器的光敏区中,透射率达到82.8%,并且在目标焦距150μm、超透镜半径50μm时聚焦效率达到84.89%。为进一步提高透射率,在超透镜表面增加抗反射层(AR Layer)。结果表明,300nm的SiO₂层透射率达到最大值86.6%,250 nm的SiN层透射率达到最大值87.6%,透射率比未增加AR层时分别增加了3.8%和4.8%。最后计算得出集成超透镜的探测器吸收区光场能量比未集成超透镜的探测器吸收区光场能量提升了250.96倍,将极大提升探测器的响应度。本文提出了单片集成超透镜的雪崩探测器设计方案,将雪崩探测器光敏区之外的...     

光刻胶热熔法制备的非球面微透镜的设计方法

为了进一步提高入射到光敏元上的光能,针对光刻胶热熔法制备的微透镜的非球面面形,提出了一种结合有限元光线追迹和拉格朗日乘子法的设计方法。给定焦距,用该算法可以自动计算出所需的微透镜面形。为了验证算法的精度,对圆形孔径的焦斑均方根半径进行了模拟和理论计算,二者较为吻合。对三次有限元光线追迹的点列图误差进行了估计。计算了会聚到320 pixel×256 pixel背照射紫外焦平面探测器光敏元上的能量集中度,比较了具有不同圆角半径的方形孔径蓝宝石微透镜的效率。结果表明,具有6μm圆角半径的方形孔径微透镜的能量集中度较高,为96%。     

超透镜聚焦光环的产生及其在冷分子光学囚禁中的应用

超表面可以对入射光场的相位、偏振、幅度等自由度进行精确调控,为发展下一代基于量子态片上实验平台提供了一种新途径,具有重要的应用前景.本文提出了一种新型的超表面结构,即具有不同占空比的硅结构光栅单元构成的超透镜,在焦平面上可形成聚焦光环.研究了在焦平面上环形光场的强度分布和不同数值孔径超透镜的聚焦特性.采用这种超透镜聚焦...     

基于导波驱动相变材料超构表面的基波及二次谐波聚焦

利用超构表面优异的波前调控能力将片上光子集成电路对光场的操控拓展至自由空间是当前一项重要课题.本文采用传输相位方法设计了一种基于波导模式激发的内嵌式超构表面,其相位分布同时满足导模的基频以及二倍频的聚焦.在此基础上,将内嵌式材料限定为相变材料,结合其在不同相态时的折射率差异,通过仿真手段实现了两种相态下分别针对于基波和二次谐波的聚焦.在基波(或二次谐波)实现高质量聚焦时,焦点处二次谐波(或基波)的成分得到了很大程度上的抑制,更有利于后续完全滤波.进一步地,通过在波导层底面嵌入与顶面完全相同的超构表面,并横向错开半个周期,最终将关于基波聚焦和二次谐波聚焦的器件效率提升为原先单阵列情形的2.2倍和3.7倍.本文的研究为导波驱动(或激发)超构表面的线性及非线性多功能复合调控提供了一种新的可能途径.     

声学超构表面

声学超构表面是当前声学领域的研究热点,其是一种由人工微单元构成的超薄平面结构,由于其具备平面、超薄等独特物理特性及对声波的灵活调控能力,使得其在降噪隔振、隐身技术、非接触操控物体等诸多声学领域具有重要的应用前景。文章以反射型、吸收型、透射型声学超构表面为框架,深入介绍超构表面高效调控声波的物理机制并举例展示了其构建复杂声场的能力,包括任意点反射聚焦、低频完美吸声、自弯曲声束、螺旋声波以及声能量非对称传输。     

近红外偏振无关超透镜研究

基于微纳结构对光波调控实现聚焦与成像的超透镜是目前国际上竞相发展的前沿技术。本文针对目前已报道的近红外超透镜偏振相关、系统复杂以及透过率低等难题,提出了一种偏振无关的近红外超透镜。以低折射率材料SiO₂为基底,高折射率材料Si圆形柱为相位调控单元,设计波长为1.31 μm。利用时域有限差分方法分析了近红外超透镜构建单元的光波调控特性,构建了构建单元的相位延迟特性曲线,探究了构建单元周期对光波透过率的影响规律,实现了构建单元的优化设计,并基于波前重构方程,设计出偏振无关的近红外超透镜。数值仿真结果表明:相位调控单元的相位延迟与透过率不仅取决于Si圆形柱半径、高度,而且与单元周期密切相关;基于分析的构建单元光波调控特性,设计的近红外偏振无关超透镜焦距仿真值为19 μm,与设计值较好吻合,透镜透过率达到65%。设计的超透镜不仅体积小、质量轻,而且为平面透镜,因此易于光学系统集成,在激光雷达、激光夜视等技术中展现出广阔的应用前景。     

Doublet achromatic metalens for broadband optical retroreflector

A retroreflector that reflects light along its incident direction has found numerous applications in photonics, but the available metasurface schemes suffer from the issue of narrow bandwidth and/or a single angle of incidence. Here, a retroreflector using double layers of achromatic gradient metasurfaces is reported, which can realize retroreflection over a continuous range of incidence angles within a wide spectral band. The first metasurface serves as a transmissive achromatic lens that performs a broadband spatial Fourier transform and its inverse, while the second metasurface works as a reflective achromatic lens that undergoes wavelength-and position-dependent phase dispersions. Using this design strategy, a near-infrared retroreflector comprised of silicon nanopillars with the cross sections of square pillars and square holes is numerically demonstrated, providing a high-performance retroreflection for polarization-independent incident light waves over a continuous range of incidence angles from 0° to 16° within an extremely broad wavelength range between 1.35 and 1.95 μm. The scheme herein can offer a design strategy of broadband retroreflectors and impact numerous photonics applications.     

Reconfigurable continuous-zoom metalens in visible band

The design of a conventional zoom lens is always challenging because it requires not only sophisticated optical design strategy, but also complex and precise mechanical structures for system adjustment. Here, we propose a continuous-zoom lens consisting of two chiral geometric metasurfaces with dielectric nanobrick arrays sitting on a transparent substrate. The metalens can continuously vary the focal length by rotating either of the two metasurfaces around its optical axis without changing any other conditions. Due to the polarization dependence of the geometric metasurface, the positive and negative polarities are interchangeable in one identical metalens only by changing the handedness of the incident circularly polarized light, which can generate varying focal lengths ranging from-∞ to +∞ in principle.     

近红外超透镜的设计与制备

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%。     

Design of an all-dielectric long-wave infrared wide-angle metalens

Optical metasurfaces are two-dimensional arrays of nano-scatterers that modify optical wavefronts at subwavelength spatial resolution. They achieve the effect of focusing through phase control under a subwavelength scale, and are called metalenses. They are poised to revolutionize optics by enabling complex low-cost systems. However, there are severe monochromatic aberrations in the metasurfaces. In this paper, the coma of the long-wave infrared optical system is eliminated through a single-layer metasurface. By changing the phase function, this metalens has a numerical aperture of 0.89, a focal length of 150 μm and a field of view of 120° (0.4@60 line pairs/mm) that enables diffraction-limited monochromatic imaging along the focal plane at a wavelength of 10.6 μm. The designed metasurface maintains a favorable value of the modulation transfer function at different angles. This equipment can be widely used in imaging and industrial processing.     

凹球面涂布光刻胶均匀性研究

通过对离心法在凹球面上涂布光刻胶过程进行分析,阐明了离心状态下光刻胶在凹球面基底上的流动机理,结合试验提出影响凹球面涂布光刻胶膜厚均匀性的主要因素有胶液粘度、旋涂速度、旋涂时间,列举了以上因素引起的各种现象,并进行了理论分析。引用凹球面旋涂光刻胶的膜厚公式,建立了膜厚与速度关系数学模型;利用流体力学原理解释了有限圆形空间中流体速度对膜层均匀性的影响,从而解决了大曲率凹球面上制备微细图形结构的关键工艺问题,对非球面上制备微细图形具有借鉴作用。     

Revisiting the wire medium: an ideal resonant metalens

This article is the first one in a series of two dealing with the concept of a ‘resonant metalens’ we introduced recently. Here, we focus on the physics of a medium with finite dimensions consisting of a square lattice of parallel conducting wires arranged on a sub-wavelength scale. This medium supports electromagnetic fields that vary much faster than the operating wavelength. We show that such modes are dispersive due to the finiteness of the medium. Their dispersion relation is established in a simple way, a link with designer plasmons is made, and the canalization phenomenon is reinterpreted in the light of our model. We explain how to take advantage of this dispersion in order to code sub-wavelength wavefields in time. Finally, we show that the resonant nature of the medium ensures an efficient coupling of these modes with free space propagating waves and, thanks to the Purcell effect, with a source placed in the near field of the medium.     

Breaking the diffraction limit in far field by planar metalens

正Optical lens is of fundamental importance in both scientific researches and industrial communities,especially for the aspects of optical focusing and imaging.In traditional optics,the light modulation property is limited by the Rayleigh Criterion(0.61λ/NA),and therefore the development of an ideal lens that produces sub-diffraction limit focusing and imaging has been a dream of lens makers all the time.Intensive effort     

KOR negative photoresist in integrated optics

Tests on Kodak Ortho Resist (KOR) have been made for application to integrated optics. This material is interesting with respect to other photoresists for its high sensitivity over a wide wavelength range. Optical waveguides and gratings have been realized with KOR. In particular gratings with high frequency have been used to test the possibility of air-film coupling via their evanescent diffracted waves.     

球面旋涂光刻胶膜厚分布的数学模型

提出了球面旋涂微米级厚度光刻胶膜层薄化率公式及径向位置演变公式,并得到了膜厚分布的演变公式。与平面涂胶相比,球面涂胶离心力及重力分量是在不断的变化。根据平面旋涂运动方程及球面面形特征,给出了球面旋涂运动方程;结合流体层流的表面条件及不可压缩流体的质量连续方程,推导出了膜厚h及径向位置r对时间t的演变公式,并得到了在径向位置r处初始厚度为h0的膜厚演变的数学模型。通过对模型参数的分析可知,球面旋涂光刻胶应采用主从轴偏心旋涂,旋涂时工件的开口应朝向侧面(旋转轴水平)。