Polarization-independent infrared micro-lens array based on all-silicon metasurfaces

MINGZE LIU, QINGBIN FAN, LE YU, AND TING XU*

——||背景介绍||——

长波红外微透镜作为薄片级热光学中一种比较重要的应用，广泛应用于光束整形、波前传感、全景成像等领域。但即使利用如今比较先进制造工艺来进行加工，如激光直写、聚焦离子束等，这种微透镜还是会存在问题：一方面它的厚度远大于波长，不能实现通过精准相位积累来调制波前；另一方面加工上刻蚀比较复杂，很难精准对齐。因此近年来很多人在超表面领域寻求解决办法，希望提出一种亚波长高度，能够精准调节相位的超透镜阵列，并且要求工艺简单，能实现大规模生产。

——||创新点||——

本文提出了一种工作在长波红外的超透镜阵列，这种超透镜阵列基于全硅介质，整个阵列只需要经过单步光刻以及标准刻蚀工艺即可制备，很容易实现大规模生产。

——||基本原理||——

与普通超透镜聚焦原理一致，需要满足相位公式：

——||图文一览||——

图一：超表面结构示意图以及单元结构的振幅和相位分布

(a) 超表面结构示意图；  

(b) 直径为2.5μm硅柱的能量分布图，白框代表硅柱边界；

(c-d) 波长为10.6μm时单元硅柱的传输振幅分布；

(e-f) 波长为10.6μm时单元硅柱相位分布；

小结：使用全硅介质来设计超透镜，从图d中可以看出可以覆盖0-2π的相位分布，即原理上可行。从图b中可以看出这种全硅介质彼此之间不会有交叉耦合，符合超透镜的要求，从图c中可以看出这种超透镜的透过率不会很高，所以需要在工艺简单与高效率之间权衡。

图二：超透镜聚焦示意图

(a) 超透镜相位分布；

(b) 2x2超透镜远场光强分布x-z平面；

(c) 2x2超透镜远场光强分布x-y平面；

小结：本文设计的超透镜偏振无光，每一个超透镜都是一样的，这里放上2x2结构只是为了观察彼此之间有无串扰。

图三：超透镜SEM图

(a) 60x60超透镜阵列的光学照片；

(b) 6x6超透镜阵列的光学显微镜图；

(c-d) 单个超透镜的SEM图，c俯视图；d侧视图；

图四：实验装置以及实验结果图

(a) 验证超透镜阵列的实验装置图；

(b) 对单个透镜不同聚焦距离处的聚焦光斑图；

(c) 测量和仿真的聚焦光斑的光强分布图；

(d) 4x4超透镜阵列聚焦光斑图；

小结：仿真中聚焦效率为43%，实验中的聚焦效率为34%，之间的差异一方面来源于测量时人为产生的误差，一方面来自加工时结构本身参数与设计参数不一致。

——||结论||——

作者成功地提出了一种基于全硅介质的长波红外的超透镜阵列，这种这种超透镜阵列基于全硅介质，整个阵列只需要经过单步光刻以及标准刻蚀工艺即可制备，很容易实现大规模生产，但还是需要在高效率与简单工艺之间进行权衡。

文献链接：Optics Express Vol.27, No.8

https://doi.org/10.1364/OE.27.010738

报告人：汪肇坤