Introducción a las lentes supersuperficiales (metalentes) 丨Principios de diseño, aplicaciones y métodos de procesamiento

¿Qué es una superlente?

Las metalentes también se conocen como lentes superconformes. Se trata de una estructura de lente plana bidimensional formada por una supersuperficie (una lente plana bidimensional (2D) con un grosor inferior a la longitud de onda). Metamateriales) formado por elementos ópticos que enfocan la luz. Considerada una de las 10 tecnologías emergentes más importantes de 2019.

Las superlentes, que ofrecen las ventajas de ser más finas, ligeras, baratas, fáciles de integrar y de obtener mejores imágenes, son una posible solución para sistemas ópticos compactos e integrados. Las propiedades de polarización, fase y amplitud de la luz pueden ajustarse modificando la forma, el sentido de giro, la altura y otros parámetros de la estructura.

Principios de diseño y modulación de fase de las superlentes

Los principios de diseño de la hiperlente se basan en dos características particulares de la hipersuperficie.Selección de la distribución de fases de la supersuperficie y diseño geométrico de estructuras a nanoescala. El control de las propiedades de las ondas ópticas (incluidas la fase, la amplitud y la polarización) puede lograrse mediante el diseño y la fabricación de estructuras geométricas, ajustando el perfil, la posición y el ángulo de las estructuras de sub-longitud de onda para controlar las características de enfoque e imagen de la superlente.

Existen tres métodos básicos de modulación de fase para superlentes.

Modulación de fase resonante, modulación de fase de propagación, modulación de fase geométrica (también conocida como modulación de fase PB).

Control de fase de resonanciaSe trata de un cambio repentino de fase mediante la modificación de la frecuencia de resonancia, que se controla mediante la geometría de la estructura a nanoescala. Sin embargo, como las supersuperficies de fase resonante suelen estar fabricadas con materiales metálicos como oro, plata y aluminio, provocan inevitablemente pérdidas óhmicas y dificultan la consecución de una modulación de campo óptico de gran eficacia. El problema puede resolverse eficazmente mediante una lente de supersuperficie fabricada con un material dieléctrico de bajas pérdidas.

Fase de propagaciónSe debe al hecho de que las ondas electromagnéticas producen una diferencia de rango óptico durante la propagación, y esta propiedad puede utilizarse para lograr la modulación de fase. La modulación de fase (φ) está regulada por la diferencia de alcance óptico, donde la longitud de onda es λ , el índice de refracción efectivo del medio es n y la onda electromagnética se propaga a lo largo de una distancia d (la altura de la estructura) en un medio homogéneo, donde k0 = 2π/λ es el vector de onda del espacio libre, entonces la fase de propagación acumulada de la onda electromagnética puede expresarse como.

Las superlentes diseñadas según el principio de propagación de fase suelen estar compuestas por micro-nanoestructuras isótropas con un alto grado de simetría. Por lo tanto, están dotadas de insensibilidad a la polarización de las superlentes, es decir, la respuesta de fase de las micro y nanoestructuras es independiente del tipo de polarización de la luz incidente, y son adecuadas para la mayoría de las aplicaciones.

Fases geométricases un método de control artificial de gradientes o distribuciones de fase mediante el ajuste del ángulo de rotación de una micro-nanoestructura con las mismas dimensiones para lograr un cambio repentino en la fase de una onda óptica, reduciendo así en gran medida la complejidad de diseñar y procesar una super-superficie. La ventaja de la modulación geométrica de fase es que no se ve afectada por la dispersión del material, el tamaño de la estructura o la resonancia estructural.

Para conseguir una función de lente de enfoque en la que todos los rayos de luz alcancen el mismo punto focal, la fase de la superlente plana debe satisfacer.

donde λ es la longitud de onda, f es la distancia focal y x e y son las coordenadas espaciales relativas al centro de la hiperlente. La fase correspondiente a cada posición puede calcularse y la superlente puede diseñarse realizando dicha distribución de fase a través de la hipersuperficie.

El ángulo de rotación de la célula θ debe satisfacer la ecuación

Cada uno de los tres principios básicos de modulación de fase para superficies de superconfiguración se ha descrito anteriormente, sin embargo, ninguna modulación de fase por sí sola puede lograr imágenes acromáticas o imágenes a todo color. En aplicaciones prácticas, a menudo se utiliza una mezcla de dos o más principios para lograr la modulación de fase al fabricar superlentes.

Estado actual de la investigación y aplicaciones de las superlentes

Superlentes de gran apertura numérica (NA)

La eficacia de enfoque de las superlentes es fundamental para las aplicaciones de imagen y detección. La eficacia de enfoque de las superlentes puede mejorarse suprimiendo 1) la dispersión causada por estructuras con dimensiones a escala de longitud de onda, 2) la reflexión causada por el desajuste de impedancias y 3) la absorción de material causada por la pérdida de material. Los mecanismos de resonancia, geometría y fase de propagación pueden utilizarse para mejorar el rendimiento del enfoque.

Superlente acromática (AML)

Como dispositivo óptico difractivo, las superlentes, al igual que otras lentes difractivas, sufren graves aberraciones cromáticas propias. Aunque estas lentes son capaces de funcionar en una amplia gama de longitudes de onda ópticas, la presencia de aberración cromática limita gravemente su aplicación en el enfoque óptico y la formación de imágenes. En particular, en el caso de las lentes superconfigurables planares de superresolución óptica, existen muchos retos a la hora de eliminar las aberraciones cromáticas en las lentes superconfigurables planares y, al mismo tiempo, conseguir una difusión óptica puntual de superresolución.

Superlentes acromáticas de múltiples longitudes de onda basadas en resonadores dieléctricos rectangulares acoplados de bajas pérdidas
Superlentes acromáticas de banda ancha: componentes básicos y distribución de intensidad de diferentes superlentes
Superlentes acromáticas de banda estrecha

Superlente multifocal

Las lentes de enfoque con múltiples puntos focales son elementos ópticos importantes. En las cámaras multiespectrales, el uso de varias lentes para conseguir múltiples puntos de enfoque da lugar a equipos grandes, pesados y costosos. Las supersuperficies pueden resolver eficazmente este problema con un diseño especializado que simplifica la estructura del sistema óptico y se caracteriza por su delgadez, miniaturización y alta integración.

Método de procesamiento de superlentes

Basado en la fotolitografía

La fotolitografía es un proceso que combina la exposición y el grabado. Se coloca una máscara con un diseño sobre un sustrato recubierto de fotorresistencia. Bajo la irradiación de una fuente de luz específica, el fotorresistente se modifica químicamente. Tras el revelado y el grabado, se forman capas gráficas a escala micrométrica y nanométrica sobre el sustrato. El proceso fotolitográfico suele incluir el procesamiento del sustrato, el recubrimiento del sustrato, el recubrimiento fotorresistente rotacional, el secado suave, la exposición, el revelado, el secado duro, el grabado y las pruebas.

La fotolitografía tiene una alta resolución y permite un control preciso de la forma y el tamaño del patrón resultante. Tiene múltiples aplicaciones en la fabricación de semiconductores y microelectrónica, la óptica, la biología y los metamateriales, entre otros campos. Sin embargo, su aplicación está limitada por el elevado coste de los equipos, el exigente entorno en el que se utiliza y la escasa disponibilidad de materiales adecuados.

Litografía por haz de electrones (EBL)

Mediante haces de electrones, el diseño se escribe directamente en la superficie cubierta por la resistencia variando la solubilidad de ésta. La litografía por haz de electrones es la técnica litográfica de mayor resolución conocida, con resoluciones que alcanzan menos de 10 nm. Con las ventajas de la resolución ultra alta y la no necesidad de placa de máscara litográfica, sus desventajas son: 1, registro de alineación de alta precisión en el real 2, baja eficiencia, difícil de aplicar la producción en masa a gran escala 3, la velocidad de exposición es lenta. Por lo tanto, esta tecnología se utiliza principalmente en la producción de plantillas de litografía de proyección óptica, verificación de diseño de nueva tecnología litográfica, investigación experimental, verificación de prototipos, etc.

Litografía de escritura directa con láser de femtosegundo

La litografía de escritura directa con láser de femtosegundo, también conocida como litografía de dos fotones o polimerización de dos fotones (TPP), es un proceso en el que un haz láser de femtosegundo se enfoca dentro de un material fotosensible y, mediante un fotoiniciador, desencadena una reacción de polimerización que forma micro/nanoestructuras controlando el movimiento del foco láser. Los láseres de femtosegundo tienenAlta precisión, alta flexibilidadyMecanizado 3D realEstas propiedades permiten fabricar microestructuras tridimensionales precisas de formas arbitrarias sin necesidad de máscaras ópticas, y los tamaños más pequeños alcanzan actualmente los 10 nm.

Superlente con tecnología TPP

Tecnología de nanoimpresión (conocimientos profundos)

La nanoimpresión litográfica (NIL) es un proceso micro y nano para crear patrones a nanoescala. Es un proceso micro y nano en el que una plantilla con un patrón a nanoescala se aplica a un sustrato de polímero de alguna manera para replicar el patrón en proporciones iguales.

La nanoimpresión es el método más común para procesar estructuras poliméricas. EnBajo coste, corto tiempo de construcción, alto rendimiento y alta resoluciónEntre las ventajas del producto destacan.

Los principales procesos tecnológicos de nanoimpresión maduros y de uso común son.Tecnología de impresión nanotérmica (T-NIL), tecnología de impresión de curado UV (UV-NIL) e impresión por microcontacto (μCP).