基于全介质超表面结构的高效红外光学透镜及其制备方法与流程

本发明属于纳米光子学及光学成像领域，尤其涉及一种基于全介质超表面结构的高效红外光学透镜及其制备方法。

背景技术：

红外成像透镜是红外热成像系统、夜视仪、红外检测系统以及红外制导系统等现代科技产品的关键组成部分，广泛运用于医疗早期诊断、军队作战、航空航天、资源勘探、环境污染检测、海洋信息、森林火灾等关系国计民生的各大领域，基于新材料的高性能红外成像器件的研制对推动科学研究、国民经济的发展以及国防建设具有深远的意义。传统的红外光学成像系统主要是通过透镜、滤波器或者光栅等基本单元进行组装而成，需要一个较为复杂的制造流程，而且体积和重量都比较大。随着现代光学系统的集成化发展，缩小光学器件的尺寸越来越具有挑战性。而且，人工智能、航空航天以及医疗器件的迅速发展要求红外光学系统具备高性能、低损耗、易集成的特点。因此，研究基于新型材料的红外光学成像器件迫在眉睫。

目前，锗是红外光学透镜的首选材料，其具有良好的光学性能。然而，锗属于“稀散元素”，非常稀少，而且分布过散，开采难度大，用于制造红外光学透镜的成本很高。通过微纳光学手段,可以制备出微纳光学透镜,它具有亚波长的厚度,且两个面都是平行平面,适于集成在各类光学系统中。另外，在科学技术迅猛发展的形势下，对红外光学透镜功能的多样性和成像质量要求也越来越高，例如多焦点聚焦、近衍射极限的超高分辨率、以及单透镜消色差、消球差等，这些是传统红外光学透镜无法实现的。

光学超表面(metasurface)属于光学超材料(metamaterial)的一种，是由许多亚波长结构单元按照特定功能需要排列而形成的一种超薄二维平面结构。从原理上讲，它可以根据人们的需求任意改变光波的相位、振幅和偏振从而实现对光场的波前调控。2012年，capasso课题组首次利用等离子体超表面设计了一款通信波段的成像透镜，其聚焦效率低于5％。该超表面透镜由v形金属纳米天线按照特定的相位分布离散的排列在基底介质上构成，离散的纳米天线阵列所具有的相位分布事实上是对理想相位分布的一种近似[aieta,francesco,patricegenevet,mikhaila.kats,nanfangyu,romainblanchard,zenogaburro,andfedericocapasso."aberration-freeultrathinflatlensesandaxiconsattelecomwavelengthsbasedonplasmonicmetasurfaces."nanoletters12,no.9(2012):4932-4936.]。由于电磁波与金属自由电子的相互作用会产生很强的损耗，所以基于该类型超表面设计的器件效率不高，特别是在可见光频段效率更低。2014年，斯坦福大学的brongersma等人提出了全介质超表面的概念，为设计高效率成像透镜提供了有效的解决方案[lin,dianmin,pengyufan,erezhasman,andmarkl.brongersma."dielectricgradientmetasurfaceopticalelements."science345,no.6194(2014):298-302.]。2015年，加州理工学院的faraon等人采用圆形硅柱设计高数值孔径透镜，其工作在通信波段1550nm，聚焦效率达到了82％[arbabi,amir,yuhorie,alexanderj.ball,mahmoodbagheri,andandreifaraon."subwavelength-thicklenseswithhighnumericalaperturesandlargeefficiencybasedonhigh-contrasttransmitarrays."naturecommunications6(2015).]。阵列中的每根硅柱都可以看成介质波导，光波在其中的传播行为类似于弱耦合低品质因子谐振器，主要依靠调节硅柱的直径大小来调控幅度和相位。2016年,capasso课题组利用几何相位在可见光波段实现了高性能超表面透镜[khorasaninejad,mohammadreza,weitingchen,robertc.devlin,jaewonoh,alexandery.zhu,andfedericocapasso."metalensesatvisiblewavelengths:diffraction-limitedfocusingandsubwavelengthresolutionimaging."science352,no.6290(2016):1190-1194.]。所设计的透镜由二氧化钛介质棒和石英玻璃基底组成。二氧化钛在可见光波段是一种低损耗介质材料，设计的纳米结构表面较为光滑，且具有较高的折射率，解决了可见光频段材料的选择问题。由于该类型透镜是基于几何相位调制原理，因而其主要的缺陷就是必须采用圆偏振光，需要使用一些附加器件对光源进行处理。

由上述研究可知，目前在可见光、近红外波段均已实现了高效的成像透镜，然而在中、远红外波段，高效率的成像透镜尚未有报道。另外，由于石英玻璃在短波长损耗低，大多数研究中都用其作为基底，然而在长波区域，特别是远红外波段，石英玻璃的损耗非常大，因此需要找到合适的材料作为基底。

技术实现要素：

针对以上现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种基于全介质超表面结构的高效红外光学透镜及其制备方法。

本发明采用的技术方案是：

基于全介质超表面结构的高效红外光学透镜，包括基底和全介质超表面结构，所述基底采用红外硫系玻璃，所述全介质超表面结构的纳米结构单元为对称结构，并按照以下特定的相位分布排列在基底上：

(a)若需将正入射的平面波聚焦，纳米结构单元的排列满足如下相位表达式：

其中，(x,y)为超表面结构上的位置坐标，λ为透镜工作的中心波长，f为透镜的焦距；

(b)若需将斜入射的平面波聚焦在透镜焦平面的某个位置，纳米结构单元的排列满足如下相位表达式：

其中，α为入射光源的倾斜角度，(x0，y0)为聚焦在焦平面上某一点的位置坐标；

(c)若需实现深聚焦，纳米结构单元的排列满足如下相位表达式：

其中，d为透镜的直径，dof为透镜的焦深；

(d)若需实现消像差功能，纳米结构单元的排列满足如下相位表达式：

其中，an为相位系数。

进一步地，所述超表面结构的材料为硅。

进一步地，所述纳米结构单元的周期p为0.4λ～0.7λ，高度为0.3λ～λ，尺寸为0.2p～0.8p。

进一步地，在zmax软件中通过添加操作数对相位系数an进行优化。

本发明上述基于全介质超表面结构的高效红外光学透镜的制备方法，具体步骤如下：

步骤1，首先在基底上溅射氮化硅作为保护层，然后在氮化硅层上溅射一定厚度的硅，再在硅层上溅射一层氮化硅作为硬掩膜，最后在顶部的氮化硅层上旋涂一层正性光刻胶；

步骤2，将目标结构的图形转移到石英玻璃镉版上，作为后续光刻工艺的掩膜版，其中，全介质超表面结构的纳米结构单元的图形区域应为镉，其他区域为石英玻璃；

步骤3，采用紫外光刻法将掩膜版的图形转移到光刻胶上，再做显影3分钟和定影30秒，去除被曝光的光刻胶，得到需要的阵列图形；或者采用电子束曝光法直接将目标结构的图形转移到光刻胶上，从而免去步骤2；

步骤4，采用磷酸进行湿法刻蚀，将步骤3的阵列图形转移到作为硬掩膜的氮化硅层，形成氮化硅掩膜版；再利用bosch工艺进行深硅刻蚀，采用sf6作为刻蚀气体，c4f8作为钝化气体，通过交替转换刻蚀气体与钝化气体实现刻蚀与边壁钝化，使得氮化硅掩膜版的图形转移到硅层上；

步骤5，最后采用磷酸去除多余的氮化硅层，完成超表面阵列结构的制备。

本发明高效率的红外透镜创新点主要体现在如下三点：(1)设计高度对称性的纳米结构单元，使得超表面阵列对入射光波的偏振没有要求；(2)选择高折射率低损耗材料作为纳米结构单元，并且可以调节纳米结构单元的形状、大小等结构参数；(3)选用红外硫系玻璃作为基底。因为红外硫系玻璃在近红外、中红外，甚至远红外均能达到接近100％的透射效率。正是以上这三个方面的共同作用，实现了高效率的红外透镜，特别地，本发明能在10.6微米附近的远红外波段实现高效的热成像透镜。

因此，相比现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、随着红外光学技术的发展，对红外光学透镜的要求越来越高。本发明设计的红外光学透镜具有超薄的厚度(微米量级)，可以得到接近衍射极限的聚焦能力，实现高分辨成像。

2、由于选用高对称性、高效率的纳米结构单元，以及采用红外低损耗的硫系玻璃作为承载纳米结构单元的基底，本发明设计的超表面透镜在红外波段，特别是远红外波段，具有高效的聚焦效果。另外，锗是传统红外光学透镜的首选材料，价格昂贵，本发明的设计仅用少量的锗或者用其他非常廉价的材料代替即可。

3、本发明使用全介质的超表面结构来控制光波波前，可以实现任意波前调制，例如设计消像差透镜、平板锥透镜等，扩展了红外热成像透镜的功能。

4、基于超表面结构的红外微透镜阵列可以得到较大的f数、消色差、以及平板锥透镜阵列这些特点在传统的微透镜制造方法中是很难实现的。本发明在提高探测器的能量利用率方面有重要应用。

附图说明

图1是本发明实施例纳米单元结构的侧视图，其中，1-硅，2-红外硫系玻璃。

图2是本发明实施例纳米单元结构的俯视图。

图3是本发明实施例纳米单元结构在不同半径下得到的透射效率。

图4是本发明实施例纳米单元结构在不同半径下得到的相位延迟。

图5是本发明的高效红外透镜聚焦成像示意图。

图6(a)当光波入射到人工微结构超表面透镜后，透射光波在焦距f的x-y平面内的聚焦效果图；(b)当光波入射到人工微结构超表面透镜后，透射光波在传播方向的x-z平面内的聚焦效果图。

图7是本发明超表面红外光学透镜的制备流程示意图。

图8是本发明实施例中制备的超表面红外透镜的扫描电子显微图，比例尺为100μm。

图9是图8在扫描电子显微镜下的局部放大图，比例尺为30μm。

图10是本发明实施例制备的超表面红外微透镜阵列的显微图。

图11是本发明实施例制备的超表面锥透镜阵列的显微图。

图12是本发明实施例以正方形硅柱为纳米单元结构的俯视图。

图13是本发明实施例以正方形硅柱为纳米单元结构的红外光学透镜结构图。

具体实施方式

下面根据具体实施例子，结合附图对本发明做详细说明。

一种基于全介质超表面结构的高效红外光学透镜的实现，具体包括以下几个步骤：

1、理论设计

a：首先，在1μm～13μm的近红外到远红外波长范围内选择一个波长λ作为透镜工作的中心波长。根据所设计的透镜的直径d和焦距f，计算得到超表面完美的相位分布。根据红外透镜功能需求的不同，可以采用不同的方法计算得到相位分布。若将正入射的平面波聚焦可以采用如下相位表达式：

其中，(x,y)为超表面上的位置坐标。

若将斜入射的平面波聚焦在焦平面的某个位置，则可以采用如下表达式：

其中，α为入射光源的倾斜角度，(x，y)为聚焦在焦平面上某一点的位置坐标。

要设计与传统锥透镜相同功能，实现深聚焦(depthoffocus,dof)，则可以采用如下表达式：

其中，形成锥形的相位分布。

在zmax软件中添加操作数进行优化相位，实现消像差功能，则可以采用如下相位表达式：

b：设计具有高对称性的功能性纳米单元结构，使得超表面结构对入射光波的偏振方向不敏感。纳米单元结构可以为正方形、圆形或者其他正多边形。纳米单元结构可以采用高折射率、低损耗材料，包括硅、锗、硫化锌、硒化锌、氟化钡、氟化钙、蓝宝石等一系列材料。采用低损耗介质作为基底承载纳米单元结构，这种低损耗材料包括红外硫系玻璃系列、以及超薄厚度的硅、锗等。本实施例以圆形硅柱为例，如图1所示，人工微结构超表面单元包括两个部分，编号为1的是硅介质柱，编号为2的是红外硫系玻璃基底。结构的俯视图如图2所示。

c：经过模拟计算，得到纳米单元结构在不同半径下的透射效率，如图3所示。在选择纳米单元结构时应尽量选择高透射效率的结构参数，远离在半径为1.43μm处的谐振吸收峰。其次，模拟计算得到纳米单元结构在不同半径下的相位延迟，如图4所示。使得纳米单元结构参数改变引起的相位变化覆盖0-2π。选取一组纳米单元结构，等间距的覆盖0-2π的相位范围，纳米结构所拥有的相位值可以为8阶、16阶以及其他阶数。本发明实施例中选取8种不同结构参数的纳米单元，半径分别为0.85μm、1.04μm、1.12μm、1.17μm、1.22μm、1.28μm、1.37μm、1.58μm，其对应的相位延迟分别为根据透镜所需要的相位分布，以周期性p＝5.5μm将这8种不同尺寸的纳米单元结构离散的分布在超表面上，形成具有特定规律的纳米单元阵列(结构如图8所示)。当光波入射到超表面透镜时，经过纳米单元阵列的相位和幅度调制，透射光波汇聚在设计的焦距f处，如图5所示。

根据上述的理论设计，本实施例设计了一块中心工作波长为10.6μm的远红外光学透镜，其直径d为12.7mm，焦距f为19mm，随后进行仿真验证和实验制备。

2、仿真验证

采用三维时域有限差分(finite-differencetime-domain，fdtd)法进行超表面透镜的模拟，三个方向均采用完美匹配吸收层边界条件(perfectlymatchedlayers,pml)。图6(a)为探测器在焦距f处的x-y平面内获得的电场分布，图6(b)为探测器在传播方向的x-z平面获得的电场分布，验证了理论的准确性。

3、实验制备(以红外硫系玻璃为基底、硅为纳米单元结构材料为例)

步骤1：首先在红外硫系玻璃(as40se60)上溅射100nm厚度的氮化硅(si3n4)，起到保护作用，在氮化硅层上溅射6.8μm厚度的硅(si)，再在硅层上溅射100nm厚度的si3n4作为硬掩膜，最后在顶层旋涂600nm厚的正性光刻胶，如图7(a)所示。

步骤2：将目标结构的图形转移到石英玻璃镉版上，作为后续光刻工艺的掩膜。这里，由于采用的是正性光刻胶，纳米结构单元的图形区域应为镉，其他区域为石英玻璃。

步骤3：采用紫外光刻法将掩膜版图形转移到光刻胶上，再做显影3分钟、定影30秒，去除被曝光的光刻胶，得到需要的阵列图形。这里，也可以采用电子束曝光法直接将目标结构的图形转移到光刻胶上，从而免去步骤2。

步骤4：如图7(b)所示，采用磷酸(h3po4)进行湿法刻蚀，将纳米图形转移到si3n4层，形成si3n4掩膜版。如图7(c)所示，再利用bosch工艺进行深硅刻蚀，采用sf6作为刻蚀气体，c4f8作为钝化气体，通过交替转换刻蚀气体与钝化气体实现刻蚀与边壁钝化，使得si3n4掩膜的图形转移到硅层。

步骤5：最后，如图7(d)所示，采用磷酸(h3po4)去除多余的si3n4层，完成超表面纳米阵列的制备,得到如图7(e)和(f)所示的超表面结构。这里要说明的是，底层si3n4只是起到保护作用，其厚度远远小于硅柱，对超表面的影响可以忽略不计。

经过上述步骤，得到了所设计的高效红外超表面透镜，图8为制备的超表面透镜的扫描电子显微图，图9为局部放大图。由设计的结构可以看出，超表面亚波长纳米结构单元对相位场的控制非常精细，在相位变化较快的位置仍然能够精确的提供所需要的相位，适合用于设计高数值孔径的光学透镜。

另外，根据红外探测器像素尺寸的大小，调节红外超表面单透镜直径的大小，密排所设计的透镜，可以形成红外微透镜阵列。图10为制备的超表面红外微透镜阵列的显微图。

当微透镜阵列中的每个透镜服从相位表达式(3)时，保持工艺流程与上述一致，可以实现锥透镜阵列的制备，图11为超表面锥透镜阵列显微图。

本发明给出实现透镜的另外一种纳米单元结构，具体为：基底同样采用红外硫系玻璃，硅纳米单元结构的形状采用正方形，如图12所示。选取的8种不同结构参数的纳米单元，高度均为6.5μm，边长分别为1.63μm、1.9μm、2.0μm、2.1μm、2.2μm、2.3μm、2.45μm、2.95μm，其对应的相位延迟分别为根据透镜所需要的相位分布，以周期性p＝5.5μm将这8种不同尺寸的纳米单元结构离散的分布在超表面上，如图13所示。理论设计和实验制备方法保持与上述一致，同样可以制备出高效的超表面红外光学透镜。