本發(fā)明屬于納米光子學(xué)及光學(xué)成像領(lǐng)域，尤其涉及一種基于全介質(zhì)超表面結(jié)構(gòu)的高效紅外光學(xué)透鏡及其制備方法。

背景技術(shù)：

紅外成像透鏡是紅外熱成像系統(tǒng)、夜視儀、紅外檢測系統(tǒng)以及紅外制導(dǎo)系統(tǒng)等現(xiàn)代科技產(chǎn)品的關(guān)鍵組成部分，廣泛運用于醫(yī)療早期診斷、軍隊作戰(zhàn)、航空航天、資源勘探、環(huán)境污染檢測、海洋信息、森林火災(zāi)等關(guān)系國計民生的各大領(lǐng)域，基于新材料的高性能紅外成像器件的研制對推動科學(xué)研究、國民經(jīng)濟的發(fā)展以及國防建設(shè)具有深遠的意義。傳統(tǒng)的紅外光學(xué)成像系統(tǒng)主要是通過透鏡、濾波器或者光柵等基本單元進行組裝而成，需要一個較為復(fù)雜的制造流程，而且體積和重量都比較大。隨著現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)的集成化發(fā)展，縮小光學(xué)器件的尺寸越來越具有挑戰(zhàn)性。而且，人工智能、航空航天以及醫(yī)療器件的迅速發(fā)展要求紅外光學(xué)系統(tǒng)具備高性能、低損耗、易集成的特點。因此，研究基于新型材料的紅外光學(xué)成像器件迫在眉睫。

目前，鍺是紅外光學(xué)透鏡的首選材料，其具有良好的光學(xué)性能。然而，鍺屬于“稀散元素”，非常稀少，而且分布過散，開采難度大，用于制造紅外光學(xué)透鏡的成本很高。通過微納光學(xué)手段,可以制備出微納光學(xué)透鏡,它具有亞波長的厚度,且兩個面都是平行平面,適于集成在各類光學(xué)系統(tǒng)中。另外，在科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展的形勢下，對紅外光學(xué)透鏡功能的多樣性和成像質(zhì)量要求也越來越高，例如多焦點聚焦、近衍射極限的超高分辨率、以及單透鏡消色差、消球差等，這些是傳統(tǒng)紅外光學(xué)透鏡無法實現(xiàn)的。

光學(xué)超表面(metasurface)屬于光學(xué)超材料(metamaterial)的一種，是由許多亞波長結(jié)構(gòu)單元按照特定功能需要排列而形成的一種超薄二維平面結(jié)構(gòu)。從原理上講，它可以根據(jù)人們的需求任意改變光波的相位、振幅和偏振從而實現(xiàn)對光場的波前調(diào)控。2012年，capasso課題組首次利用等離子體超表面設(shè)計了一款通信波段的成像透鏡，其聚焦效率低于5％。該超表面透鏡由v形金屬納米天線按照特定的相位分布離散的排列在基底介質(zhì)上構(gòu)成，離散的納米天線陣列所具有的相位分布事實上是對理想相位分布的一種近似[aieta,francesco,patricegenevet,mikhaila.kats,nanfangyu,romainblanchard,zenogaburro,andfedericocapasso."aberration-freeultrathinflatlensesandaxiconsattelecomwavelengthsbasedonplasmonicmetasurfaces."nanoletters12,no.9(2012):4932-4936.]。由于電磁波與金屬自由電子的相互作用會產(chǎn)生很強的損耗，所以基于該類型超表面設(shè)計的器件效率不高，特別是在可見光頻段效率更低。2014年，斯坦福大學(xué)的brongersma等人提出了全介質(zhì)超表面的概念，為設(shè)計高效率成像透鏡提供了有效的解決方案[lin,dianmin,pengyufan,erezhasman,andmarkl.brongersma."dielectricgradientmetasurfaceopticalelements."science345,no.6194(2014):298-302.]。2015年，加州理工學(xué)院的faraon等人采用圓形硅柱設(shè)計高數(shù)值孔徑透鏡，其工作在通信波段1550nm，聚焦效率達到了82％[arbabi,amir,yuhorie,alexanderj.ball,mahmoodbagheri,andandreifaraon."subwavelength-thicklenseswithhighnumericalaperturesandlargeefficiencybasedonhigh-contrasttransmitarrays."naturecommunications6(2015).]。陣列中的每根硅柱都可以看成介質(zhì)波導(dǎo)，光波在其中的傳播行為類似于弱耦合低品質(zhì)因子諧振器，主要依靠調(diào)節(jié)硅柱的直徑大小來調(diào)控幅度和相位。2016年,capasso課題組利用幾何相位在可見光波段實現(xiàn)了高性能超表面透鏡[khorasaninejad,mohammadreza,weitingchen,robertc.devlin,jaewonoh,alexandery.zhu,andfedericocapasso."metalensesatvisiblewavelengths:diffraction-limitedfocusingandsubwavelengthresolutionimaging."science352,no.6290(2016):1190-1194.]。所設(shè)計的透鏡由二氧化鈦介質(zhì)棒和石英玻璃基底組成。二氧化鈦在可見光波段是一種低損耗介質(zhì)材料，設(shè)計的納米結(jié)構(gòu)表面較為光滑，且具有較高的折射率，解決了可見光頻段材料的選擇問題。由于該類型透鏡是基于幾何相位調(diào)制原理，因而其主要的缺陷就是必須采用圓偏振光，需要使用一些附加器件對光源進行處理。

由上述研究可知，目前在可見光、近紅外波段均已實現(xiàn)了高效的成像透鏡，然而在中、遠紅外波段，高效率的成像透鏡尚未有報道。另外，由于石英玻璃在短波長損耗低，大多數(shù)研究中都用其作為基底，然而在長波區(qū)域，特別是遠紅外波段，石英玻璃的損耗非常大，因此需要找到合適的材料作為基底。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對以上現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種基于全介質(zhì)超表面結(jié)構(gòu)的高效紅外光學(xué)透鏡及其制備方法。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

基于全介質(zhì)超表面結(jié)構(gòu)的高效紅外光學(xué)透鏡，包括基底和全介質(zhì)超表面結(jié)構(gòu)，所述基底采用紅外硫系玻璃，所述全介質(zhì)超表面結(jié)構(gòu)的納米結(jié)構(gòu)單元為對稱結(jié)構(gòu)，并按照以下特定的相位分布排列在基底上：

(a)若需將正入射的平面波聚焦，納米結(jié)構(gòu)單元的排列滿足如下相位表達式：

其中，(x,y)為超表面結(jié)構(gòu)上的位置坐標(biāo)，λ為透鏡工作的中心波長，f為透鏡的焦距；

(b)若需將斜入射的平面波聚焦在透鏡焦平面的某個位置，納米結(jié)構(gòu)單元的排列滿足如下相位表達式：

其中，α為入射光源的傾斜角度，(x0，y0)為聚焦在焦平面上某一點的位置坐標(biāo)；

(c)若需實現(xiàn)深聚焦，納米結(jié)構(gòu)單元的排列滿足如下相位表達式：

其中，d為透鏡的直徑，dof為透鏡的焦深；

(d)若需實現(xiàn)消像差功能，納米結(jié)構(gòu)單元的排列滿足如下相位表達式：

其中，an為相位系數(shù)。

進一步地，所述超表面結(jié)構(gòu)的材料為硅。

進一步地，所述納米結(jié)構(gòu)單元的周期p為0.4λ～0.7λ，高度為0.3λ～λ，尺寸為0.2p～0.8p。

進一步地，在zmax軟件中通過添加操作數(shù)對相位系數(shù)an進行優(yōu)化。

本發(fā)明上述基于全介質(zhì)超表面結(jié)構(gòu)的高效紅外光學(xué)透鏡的制備方法，具體步驟如下：

步驟1，首先在基底上濺射氮化硅作為保護層，然后在氮化硅層上濺射一定厚度的硅，再在硅層上濺射一層氮化硅作為硬掩膜，最后在頂部的氮化硅層上旋涂一層正性光刻膠；

步驟2，將目標(biāo)結(jié)構(gòu)的圖形轉(zhuǎn)移到石英玻璃鎘版上，作為后續(xù)光刻工藝的掩膜版，其中，全介質(zhì)超表面結(jié)構(gòu)的納米結(jié)構(gòu)單元的圖形區(qū)域應(yīng)為鎘，其他區(qū)域為石英玻璃；

步驟3，采用紫外光刻法將掩膜版的圖形轉(zhuǎn)移到光刻膠上，再做顯影3分鐘和定影30秒，去除被曝光的光刻膠，得到需要的陣列圖形；或者采用電子束曝光法直接將目標(biāo)結(jié)構(gòu)的圖形轉(zhuǎn)移到光刻膠上，從而免去步驟2；

步驟4，采用磷酸進行濕法刻蝕，將步驟3的陣列圖形轉(zhuǎn)移到作為硬掩膜的氮化硅層，形成氮化硅掩膜版；再利用bosch工藝進行深硅刻蝕，采用sf6作為刻蝕氣體，c4f8作為鈍化氣體，通過交替轉(zhuǎn)換刻蝕氣體與鈍化氣體實現(xiàn)刻蝕與邊壁鈍化，使得氮化硅掩膜版的圖形轉(zhuǎn)移到硅層上；

步驟5，最后采用磷酸去除多余的氮化硅層，完成超表面陣列結(jié)構(gòu)的制備。

本發(fā)明高效率的紅外透鏡創(chuàng)新點主要體現(xiàn)在如下三點：(1)設(shè)計高度對稱性的納米結(jié)構(gòu)單元，使得超表面陣列對入射光波的偏振沒有要求；(2)選擇高折射率低損耗材料作為納米結(jié)構(gòu)單元，并且可以調(diào)節(jié)納米結(jié)構(gòu)單元的形狀、大小等結(jié)構(gòu)參數(shù)；(3)選用紅外硫系玻璃作為基底。因為紅外硫系玻璃在近紅外、中紅外，甚至遠紅外均能達到接近100％的透射效率。正是以上這三個方面的共同作用，實現(xiàn)了高效率的紅外透鏡，特別地，本發(fā)明能在10.6微米附近的遠紅外波段實現(xiàn)高效的熱成像透鏡。

因此，相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下有益效果：

1、隨著紅外光學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對紅外光學(xué)透鏡的要求越來越高。本發(fā)明設(shè)計的紅外光學(xué)透鏡具有超薄的厚度(微米量級)，可以得到接近衍射極限的聚焦能力，實現(xiàn)高分辨成像。

2、由于選用高對稱性、高效率的納米結(jié)構(gòu)單元，以及采用紅外低損耗的硫系玻璃作為承載納米結(jié)構(gòu)單元的基底，本發(fā)明設(shè)計的超表面透鏡在紅外波段，特別是遠紅外波段，具有高效的聚焦效果。另外，鍺是傳統(tǒng)紅外光學(xué)透鏡的首選材料，價格昂貴，本發(fā)明的設(shè)計僅用少量的鍺或者用其他非常廉價的材料代替即可。

3、本發(fā)明使用全介質(zhì)的超表面結(jié)構(gòu)來控制光波波前，可以實現(xiàn)任意波前調(diào)制，例如設(shè)計消像差透鏡、平板錐透鏡等，擴展了紅外熱成像透鏡的功能。

4、基于超表面結(jié)構(gòu)的紅外微透鏡陣列可以得到較大的f數(shù)、消色差、以及平板錐透鏡陣列這些特點在傳統(tǒng)的微透鏡制造方法中是很難實現(xiàn)的。本發(fā)明在提高探測器的能量利用率方面有重要應(yīng)用。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例納米單元結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖，其中，1-硅，2-紅外硫系玻璃。

圖2是本發(fā)明實施例納米單元結(jié)構(gòu)的俯視圖。

圖3是本發(fā)明實施例納米單元結(jié)構(gòu)在不同半徑下得到的透射效率。

圖4是本發(fā)明實施例納米單元結(jié)構(gòu)在不同半徑下得到的相位延遲。

圖5是本發(fā)明的高效紅外透鏡聚焦成像示意圖。

圖6(a)當(dāng)光波入射到人工微結(jié)構(gòu)超表面透鏡后，透射光波在焦距f的x-y平面內(nèi)的聚焦效果圖；(b)當(dāng)光波入射到人工微結(jié)構(gòu)超表面透鏡后，透射光波在傳播方向的x-z平面內(nèi)的聚焦效果圖。

圖7是本發(fā)明超表面紅外光學(xué)透鏡的制備流程示意圖。

圖8是本發(fā)明實施例中制備的超表面紅外透鏡的掃描電子顯微圖，比例尺為100μm。

圖9是圖8在掃描電子顯微鏡下的局部放大圖，比例尺為30μm。

圖10是本發(fā)明實施例制備的超表面紅外微透鏡陣列的顯微圖。

圖11是本發(fā)明實施例制備的超表面錐透鏡陣列的顯微圖。

圖12是本發(fā)明實施例以正方形硅柱為納米單元結(jié)構(gòu)的俯視圖。

圖13是本發(fā)明實施例以正方形硅柱為納米單元結(jié)構(gòu)的紅外光學(xué)透鏡結(jié)構(gòu)圖。

具體實施方式

下面根據(jù)具體實施例子，結(jié)合附圖對本發(fā)明做詳細說明。

一種基于全介質(zhì)超表面結(jié)構(gòu)的高效紅外光學(xué)透鏡的實現(xiàn)，具體包括以下幾個步驟：

1、理論設(shè)計

a：首先，在1μm～13μm的近紅外到遠紅外波長范圍內(nèi)選擇一個波長λ作為透鏡工作的中心波長。根據(jù)所設(shè)計的透鏡的直徑d和焦距f，計算得到超表面完美的相位分布。根據(jù)紅外透鏡功能需求的不同，可以采用不同的方法計算得到相位分布。若將正入射的平面波聚焦可以采用如下相位表達式：

其中，(x,y)為超表面上的位置坐標(biāo)。

若將斜入射的平面波聚焦在焦平面的某個位置，則可以采用如下表達式：

其中，α為入射光源的傾斜角度，(x，y)為聚焦在焦平面上某一點的位置坐標(biāo)。

要設(shè)計與傳統(tǒng)錐透鏡相同功能，實現(xiàn)深聚焦(depthoffocus,dof)，則可以采用如下表達式：

其中，形成錐形的相位分布。

在zmax軟件中添加操作數(shù)進行優(yōu)化相位，實現(xiàn)消像差功能，則可以采用如下相位表達式：

b：設(shè)計具有高對稱性的功能性納米單元結(jié)構(gòu)，使得超表面結(jié)構(gòu)對入射光波的偏振方向不敏感。納米單元結(jié)構(gòu)可以為正方形、圓形或者其他正多邊形。納米單元結(jié)構(gòu)可以采用高折射率、低損耗材料，包括硅、鍺、硫化鋅、硒化鋅、氟化鋇、氟化鈣、藍寶石等一系列材料。采用低損耗介質(zhì)作為基底承載納米單元結(jié)構(gòu)，這種低損耗材料包括紅外硫系玻璃系列、以及超薄厚度的硅、鍺等。本實施例以圓形硅柱為例，如圖1所示，人工微結(jié)構(gòu)超表面單元包括兩個部分，編號為1的是硅介質(zhì)柱，編號為2的是紅外硫系玻璃基底。結(jié)構(gòu)的俯視圖如圖2所示。

c：經(jīng)過模擬計算，得到納米單元結(jié)構(gòu)在不同半徑下的透射效率，如圖3所示。在選擇納米單元結(jié)構(gòu)時應(yīng)盡量選擇高透射效率的結(jié)構(gòu)參數(shù)，遠離在半徑為1.43μm處的諧振吸收峰。其次，模擬計算得到納米單元結(jié)構(gòu)在不同半徑下的相位延遲，如圖4所示。使得納米單元結(jié)構(gòu)參數(shù)改變引起的相位變化覆蓋0-2π。選取一組納米單元結(jié)構(gòu)，等間距的覆蓋0-2π的相位范圍，納米結(jié)構(gòu)所擁有的相位值可以為8階、16階以及其他階數(shù)。本發(fā)明實施例中選取8種不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的納米單元，半徑分別為0.85μm、1.04μm、1.12μm、1.17μm、1.22μm、1.28μm、1.37μm、1.58μm，其對應(yīng)的相位延遲分別為根據(jù)透鏡所需要的相位分布，以周期性p＝5.5μm將這8種不同尺寸的納米單元結(jié)構(gòu)離散的分布在超表面上，形成具有特定規(guī)律的納米單元陣列(結(jié)構(gòu)如圖8所示)。當(dāng)光波入射到超表面透鏡時，經(jīng)過納米單元陣列的相位和幅度調(diào)制，透射光波匯聚在設(shè)計的焦距f處，如圖5所示。

根據(jù)上述的理論設(shè)計，本實施例設(shè)計了一塊中心工作波長為10.6μm的遠紅外光學(xué)透鏡，其直徑d為12.7mm，焦距f為19mm，隨后進行仿真驗證和實驗制備。

2、仿真驗證

采用三維時域有限差分(finite-differencetime-domain，fdtd)法進行超表面透鏡的模擬，三個方向均采用完美匹配吸收層邊界條件(perfectlymatchedlayers,pml)。圖6(a)為探測器在焦距f處的x-y平面內(nèi)獲得的電場分布，圖6(b)為探測器在傳播方向的x-z平面獲得的電場分布，驗證了理論的準(zhǔn)確性。

3、實驗制備(以紅外硫系玻璃為基底、硅為納米單元結(jié)構(gòu)材料為例)

步驟1：首先在紅外硫系玻璃(as40se60)上濺射100nm厚度的氮化硅(si3n4)，起到保護作用，在氮化硅層上濺射6.8μm厚度的硅(si)，再在硅層上濺射100nm厚度的si3n4作為硬掩膜，最后在頂層旋涂600nm厚的正性光刻膠，如圖7(a)所示。

步驟2：將目標(biāo)結(jié)構(gòu)的圖形轉(zhuǎn)移到石英玻璃鎘版上，作為后續(xù)光刻工藝的掩膜。這里，由于采用的是正性光刻膠，納米結(jié)構(gòu)單元的圖形區(qū)域應(yīng)為鎘，其他區(qū)域為石英玻璃。

步驟3：采用紫外光刻法將掩膜版圖形轉(zhuǎn)移到光刻膠上，再做顯影3分鐘、定影30秒，去除被曝光的光刻膠，得到需要的陣列圖形。這里，也可以采用電子束曝光法直接將目標(biāo)結(jié)構(gòu)的圖形轉(zhuǎn)移到光刻膠上，從而免去步驟2。

步驟4：如圖7(b)所示，采用磷酸(h3po4)進行濕法刻蝕，將納米圖形轉(zhuǎn)移到si3n4層，形成si3n4掩膜版。如圖7(c)所示，再利用bosch工藝進行深硅刻蝕，采用sf6作為刻蝕氣體，c4f8作為鈍化氣體，通過交替轉(zhuǎn)換刻蝕氣體與鈍化氣體實現(xiàn)刻蝕與邊壁鈍化，使得si3n4掩膜的圖形轉(zhuǎn)移到硅層。

步驟5：最后，如圖7(d)所示，采用磷酸(h3po4)去除多余的si3n4層，完成超表面納米陣列的制備,得到如圖7(e)和(f)所示的超表面結(jié)構(gòu)。這里要說明的是，底層si3n4只是起到保護作用，其厚度遠遠小于硅柱，對超表面的影響可以忽略不計。

經(jīng)過上述步驟，得到了所設(shè)計的高效紅外超表面透鏡，圖8為制備的超表面透鏡的掃描電子顯微圖，圖9為局部放大圖。由設(shè)計的結(jié)構(gòu)可以看出，超表面亞波長納米結(jié)構(gòu)單元對相位場的控制非常精細，在相位變化較快的位置仍然能夠精確的提供所需要的相位，適合用于設(shè)計高數(shù)值孔徑的光學(xué)透鏡。

另外，根據(jù)紅外探測器像素尺寸的大小，調(diào)節(jié)紅外超表面單透鏡直徑的大小，密排所設(shè)計的透鏡，可以形成紅外微透鏡陣列。圖10為制備的超表面紅外微透鏡陣列的顯微圖。

當(dāng)微透鏡陣列中的每個透鏡服從相位表達式(3)時，保持工藝流程與上述一致，可以實現(xiàn)錐透鏡陣列的制備，圖11為超表面錐透鏡陣列顯微圖。

本發(fā)明給出實現(xiàn)透鏡的另外一種納米單元結(jié)構(gòu)，具體為：基底同樣采用紅外硫系玻璃，硅納米單元結(jié)構(gòu)的形狀采用正方形，如圖12所示。選取的8種不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的納米單元，高度均為6.5μm，邊長分別為1.63μm、1.9μm、2.0μm、2.1μm、2.2μm、2.3μm、2.45μm、2.95μm，其對應(yīng)的相位延遲分別為根據(jù)透鏡所需要的相位分布，以周期性p＝5.5μm將這8種不同尺寸的納米單元結(jié)構(gòu)離散的分布在超表面上，如圖13所示。理論設(shè)計和實驗制備方法保持與上述一致，同樣可以制備出高效的超表面紅外光學(xué)透鏡。