——— ||| 导读 ||| ———

2018年9月11日的应用物理学报上，哈佛大学应用与科学学院博士，现新加坡生物成像联盟研究院Zhang Shuyan发表了一篇将超表面应用于红外焦平面阵列的论文，超表面阵列因其具有与红外焦平面阵列单片集成的潜力，能够有效提高后者的工作温度和灵敏度。

—— ||| 背景介绍 ||| ——

红外焦平面阵列（infrared Focal Plane Array）属于红外光学系统焦平面上，是可使整个视场内景物的每一个像元与一个敏感元相对应的多元平面阵列红外探测器件，其通常用于热相机和医学成像设备以及诸如波前探测的应用。微透镜和微球面之前作为光学聚光器提高了其工作温度，但它们通常由不同于探测器的材料的制成，需要额外的沉积和对准步骤。超表面材料由于其可以以与探测器材料相同的材料制造、厚度薄，质量轻等特性，可以很好地作为下一代的光学聚光器。超表面由具有亚波长间隔和光波长厚度的单元阵列组成，通过精确设计阵列中每个元件的光学特性，入射光的波前可以被精确调制。

—— ||| 创新与结论 ||| ——

      为了与目前的红外焦平面阵列（IR FPA）兼容，超表面需要具有一些独特的特性，由于大部分IR FPA是背照式的，并且浸入式需要将光聚焦到探测器材料中，因此它由与探测器衬底（GaSb，InSb或CdTe）相同的材料制成。论文中得到了直径为30um（对应于IR FPA的像素尺寸），厚度为2um的超表面，并进行了两种超表面的设计，色差超表面和宽带超表面，色差超透镜在波长为4um时有更小的焦斑半径，宽带超表面则在3-5um的波段内有变化很小的焦距，同时这两种超表面都有约3倍的强度增强。论文成功地为红外探测器和FPA的集成化提供了一种新的方法。

—— ||| 图文一览||| ——

图一 超表面结构示意图和仿真结果

（a）固体浸没式超表面示意图。（右）基质背面的超表面阵列。（左）单个2微米厚的放大横截面视图，显示出入射光聚焦到500微米厚的基板中。

（b）焦点处的xy平面中的归一化后的模拟电场强度。结果由Lumerical仿真得到。

（c）未来可将固体浸没式元透镜与FPA像素单位晶胞进行整合。

小结：本文提出了一种超表面的新型应用，即应用在红外焦平面阵列上，用超表面代替微透镜，得到了较高的聚焦效率（仿真80%，实验52%）。值得一提的是，阵列采用了固定边缘间距排列，这种排列比等中心间距更加紧凑。

图二 超表面实物图

（a）10x10元透镜阵列的SEM图像。每个metalens的直径为30μm。

（b）单个metalens的SEM图像。比例尺：5μm。

（c）各个柱的SEM图像（SEM图像倾斜角为50°）。比例尺：200nm。

小结：本文采用了常用的工艺制作流程，主要工艺有沉积硬掩膜（hard mask），电子束曝光（EBL），电感耦合等离子体（ICP）系统刻蚀等，将GaSb材料的超表面安装到同种材料的衬底上，得到了约83°的侧壁角。

图三 实验装置

（a）实验装置。黑体光源发光通过带通滤波器后正入射在超表面阵列上（后图中使用BP-3390-345nm的带通滤波器）。

（b）当相机聚焦在超表面上时，一个3x3子阵列的摄相机图像。相邻的超表面中心距为30μm。

（c）焦平面上的摄像机图像，表明光强增强了。

小结：通过将相机在光轴上移动，分别聚焦到超表面和焦平面上，两者距离除以GaSb的折射率即可测得焦距。

图四 色差超表面和宽带超表面的测量结果

（a）色差超表面不同入射波长下x-z平面的归一化强度。

（b）色差超表面焦点处的光束轮廓。

（c）宽带超表面不同入射波长的x-z平面的归一化强度。

（d）宽带超表面焦点处光束轮廓。（a），（b），（c）和（d）中的波长即为带通滤波器的中心波长。

（e）色差超表面（蓝色）和宽带超表面（红色）的焦距与波长的函数。

（f）测量得到在不同入射波长下宽带超表面的聚焦效率（蓝色实线）和强度增强（橙色实线）以及色差超表面的强度增强（橙色虚线）。

小结：测量结果表明色差超表面在λ= 4μm米具有更小的焦斑尺寸。但是宽带超表面λ=3-4μm时具有恒定焦距，并具有在入射的波长范围内的较小的焦距变化（3-5μm），且两种超表面在焦点处强度都有约三倍的增强。

—— ||| 点评||| ——

      本论文最大的特点在于提出了超表面的一种新型的应用，即应用在红外焦平面阵列上，并针对其特征研究出特定的超表面加以应用。超表面由于其平坦，体积小，轻薄，易集成化等优势，可以在很多应用中替代传统的微透镜，微球面。同时作者也根据其之前的论文提出了一种在3-5um波段消色差的宽带超表面，这也是近段时间提出的几种消色差方法中的一种 。相信超表面方向存在的各种难题，也一定会在在各路研究人员的努力下加以解决，加以完善。

文献链接：Solid-immersion metalenses for infrared focal planearrays

Appl.Phys.Lett.113,111104(2018);

Shuyan Zhang, AlexanderSoibel, Sam A. Keo, DanielWilson, Sir. B. Rafol, David Z. Ting, Alan She, SarathD. Gunapala, and FedericoCapasso

https://doi.org/10.1063/1.5040395

作者简介: 陈岩，华中科技大学，大四，目前研究方向：中红外超表面成像透镜