什么是超透鏡？超透鏡的制造及其應(yīng)用

1.什么是超透鏡?

超透鏡利用介電表面上的亞波長“超原子”圖案來控制入射光。具體而言，超原子圖案會改變?nèi)肷涔馐南辔环植?，從而?dǎo)致光束彎曲(重定向)。超原子是微小的納米級結(jié)構(gòu)，具有不同的形狀和大小，其在透鏡上的位置是任意的，旨在控制光的相互作用。雖然超透鏡中的“透鏡”一詞意味著這些元件能夠像傳統(tǒng)透鏡一樣用于聚焦光線，但業(yè)界一直使用超透鏡這個術(shù)語來涵蓋相位控制所提供的廣泛功能。

為了實現(xiàn)這種相位控制，超透鏡需要在超原子的折射率和周圍材料的折射率之間實現(xiàn)較大差異。超透鏡的材料取決于相關(guān)應(yīng)用的目標波長范圍，其中，材料吸收應(yīng)當盡可能小，并且制造技術(shù)能夠滿足特征尺寸要求。例如，硅通常被認為可用于激光雷達傳感器等近紅外(IR)應(yīng)用，而對于二氧化鈦、氮化鎵和氮化硅，則可考慮將其用于可見波長范圍內(nèi)的攝像頭應(yīng)用。

2.超透鏡的制造

制造方法將決定超透鏡設(shè)計中可能使用的超原子圖案。目前的制造方法包括：

電子束光刻技術(shù)：利用聚焦電子束在基板上創(chuàng)建納米級圖案，在納米制造中提供了卓越的精度以及多功能性。這種方法主要用于研究應(yīng)用，因為它不適用于超透鏡的大規(guī)模生產(chǎn)。

DUV光刻技術(shù)：利用深紫外線(DUV)光將復(fù)雜的圖案轉(zhuǎn)印到感光材料上。這使其成為半導(dǎo)體制造中用于高分辨率圖案的關(guān)鍵技術(shù)。

納米壓印光刻技術(shù)：涉及將帶有預(yù)定義納米結(jié)構(gòu)的模具壓制到基板上。這為高精度納米級圖案復(fù)制提供了一種經(jīng)濟高效且可擴展的方法。

上述所有方法都支持在曲面XY平面中靈活定義超原子圖案，但它們對Z軸方向變化的支持能力有限。因此，許多當前的超透鏡設(shè)計都是基于二元形狀，其中的超原子圖案在Z軸上是均勻的，但在XY平面上是任意的。

此外，制造方法還會影響超透鏡材料的選擇。例如，光刻制造適合使用半導(dǎo)體制造中常用的硅或其它材料。納米壓印光刻技術(shù)還會使用不同類型的UV或熱固化環(huán)氧樹脂。

總而言之，超透鏡為低成本大規(guī)模制造帶來了挑戰(zhàn)，因為它們將用于相位控制的小特征尺寸以及用于數(shù)值孔徑/光束尺寸的大尺寸相結(jié)合。我們?nèi)蕴幱诔哥R制造的早期階段，因此尚不了解某些材料系統(tǒng)或制造流程能否提供半導(dǎo)體和光子集成電路(PIC)行業(yè)所實現(xiàn)的規(guī)模經(jīng)濟。然而，在某些應(yīng)用領(lǐng)域，相對于傳統(tǒng)光學(xué)元件而言，使用薄型超透鏡的優(yōu)勢可能超過其成本挑戰(zhàn)，特別是與先進技術(shù)(如醫(yī)療內(nèi)窺鏡)的系統(tǒng)成本相比。

3.超透鏡的應(yīng)用

在任何需要減小系統(tǒng)中光學(xué)元件的尺寸和重量的情況下，超透鏡都有用武之地。其中包括用于自動駕駛汽車和面部識別系統(tǒng)中的3D傳感的激光雷達、內(nèi)窺鏡和顯微鏡等醫(yī)療設(shè)備、紅外和機器視覺攝像頭等監(jiān)控系統(tǒng)、手機攝像頭、CMOS圖像傳感器及AR/VR設(shè)備等顯示和成像系統(tǒng)以及全息圖。

審核編輯 黃宇