Introduction aux métaux - Principes de conception, applications et méthodes de traitement

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Qu'est-ce qu'un superlentille ?

Les lentilles métalliques sont également connues sous le nom de lentilles superstructurées. Il s'agit d'une structure de lentille planaire bidimensionnelle composée d'une hypersurface (une lentille bidimensionnelle (2D) planaire d'une épaisseur inférieure à la longueur d'onde) et d'une lentille bidimensionnelle (2D) d'une épaisseur inférieure à la longueur d'onde. métamatériaux) composé d'éléments optiques qui concentrent la lumière. Présenté comme l'une des 10 technologies émergentes les plus importantes de 2019.
Avec les avantages d'une taille plus fine, d'un poids plus léger, d'un coût plus faible, d'une meilleure imagerie et d'une intégration plus facile, les superlentilles offrent des solutions potentielles pour les systèmes optiques intégrés de manière compacte. En outre, les propriétés de la lumière telles que la polarisation, la phase et l'amplitude peuvent être réglées en ajustant la forme de la structure, le sens de rotation, la hauteur et d'autres paramètres.

Principes de conception et modulation de phase des superlentilles

Le principe de conception de l'hyperlentille repose sur deux caractéristiques particulières de l'hypersurface :Sélection de la distribution des phases de la supersurface et conception géométrique des structures à l'échelle nanométrique.. Le contrôle des propriétés des ondes lumineuses (notamment la phase, l'amplitude et la polarisation) peut être réalisé par la conception et la fabrication de structures géométriques, en ajustant le profil, la position et l'angle des structures sub-longueur d'onde pour contrôler les propriétés de focalisation et d'imagerie de la superlentille.
 
Il existe trois méthodes de base de modulation de phase pour les superlentilles :
Modulation de phase par résonance, modulation de phase par propagation et modulation de phase géométrique (également connue sous le nom de modulation de phase PB).
 
  • Contrôle de la phase de résonanceIl s'agit de réaliser la mutation de phase en changeant la fréquence de résonance, qui est contrôlée par la géométrie de la structure à l'échelle nanométrique. Cependant, comme les hypersurfaces à phase résonnante sont généralement constituées de matériaux métalliques tels que l'or, l'argent, l'aluminium, etc., elles provoquent inévitablement des pertes ohmiques, ce qui rend difficile l'obtention d'une modulation du champ lumineux à haute efficacité. Les lentilles d'hypersurface fabriquées à partir de matériaux diélectriques à faibles pertes peuvent résoudre efficacement ce problème.
  • phase de propagationCette propriété est due au fait que l'onde électromagnétique, dans le processus de propagation, produit une différence de distance optique, qui peut être utilisée pour la régulation de phase. La régulation de phase (φ) par la différence de portée optique, où la longueur d'onde est λ, l'indice de réfraction effectif du milieu est n, l'onde électromagnétique se propage dans un milieu uniforme à une distance d (la hauteur de la structure), où k0 = 2π/λ pour les vecteurs d'onde de l'espace libre, alors la propagation de la phase d'accumulation de l'onde électromagnétique peut être exprimée comme suit :
Lorsque les micro et nanostructures sont très fixes, elles peuvent être ajustées par la forme, la taille et la période de l'unité structurelle des micro et nanostructures. Les superlentilles conçues sur la base du principe de la phase de propagation sont généralement composées de micro et nanostructures isotropes présentant un degré élevé de symétrie. Elles sont donc dotées d'une superlentille insensible à la polarisation, c'est-à-dire que la réponse de phase des micro et nanostructures est indépendante du type de polarisation de la lumière incidente, ce qui convient à la plupart des scénarios d'application.
  • phase géométriqueIl s'agit d'une méthode permettant d'obtenir un brusque changement de phase des ondes lumineuses en ajustant l'angle de rotation des micro et nanostructures de mêmes dimensions, ce qui permet de contrôler artificiellement les gradients ou les distributions de phase, et donc de réduire considérablement la complexité de la conception et du traitement des hypersurfaces. L'avantage de la modulation de phase géométrique est qu'elle n'est pas affectée par la dispersion des matériaux, la taille de la structure ou la résonance structurelle.
 
Afin de réaliser la fonction de focalisation de la lentille de manière à ce que tous les rayons lumineux atteignent le même point focal, la phase de la superlentille planaire doit être satisfaite :
où λ est la longueur d'onde, f est la distance focale, et x et y sont les coordonnées spatiales par rapport au centre de l'hyperlentille. La phase correspondant à chaque position peut être calculée, et l'hyperlentille est conçue en réalisant une telle distribution de phase à travers l'hypersurface.
L'angle de rotation de la cellule θ doit satisfaire à l'équation suivante
 
Les principes de base de la modulation de phase pour chacun des trois types de surfaces superstructurées ont été décrits précédemment ; cependant, toute modulation de phase individuelle ne permet pas d'obtenir une image achromatique ou une image en couleur. Dans la pratique, la modulation de phase est généralement obtenue en mélangeant deux principes ou plus lors de la fabrication d'une superlentille.

État de la recherche et application des superlentilles

Superlentille à grande ouverture numérique (NA)

L'efficacité de focalisation d'une superlentille est essentielle pour les applications d'imagerie et de détection. L'efficacité de focalisation d'une superlentille peut être améliorée en supprimant 1) la diffusion causée par des structures ayant des dimensions à l'échelle de la longueur d'onde, 2) la réflexion causée par un décalage d'impédance, et 3) l'absorption du matériau causée par la perte de matériau. Les mécanismes de résonance, de géométrie et de phase de propagation peuvent être utilisés pour améliorer les performances de focalisation.
 
 

Un superlentille achromatique (AML)

En tant que dispositif optique diffractif, la superlentille, comme les autres lentilles diffractives, souffre d'une grave aberration chromatique. Bien que ces lentilles soient capables de fonctionner dans une large bande optique, l'existence de l'aberration chromatique limite fortement leur application dans la mise au point optique et l'imagerie. En particulier pour les lentilles superstructurées planaires de super-résolution optique, il existe de nombreux défis pour éliminer l'aberration chromatique des lentilles superstructurées planaires tout en réalisant la diffusion optique des points de super-résolution.

  • Superlentille achromatique multi-longueur d'onde basée sur un résonateur diélectrique rectangulaire couplé à faible perte
  • Superlentilles achromatiques à large bande : éléments constitutifs et distributions d'intensité de différentes superlentilles
  • Superlentille achromatique à bande étroite

 

Superlentilles multifocales

Les lentilles de mise au point à points focaux multiples sont des éléments optiques importants. Dans les caméras multispectrales, l'utilisation de plusieurs lentilles pour réaliser une mise au point multipoint se traduit par un équipement volumineux, lourd et coûteux. Les ultrasurfaces peuvent résoudre efficacement ce problème grâce à des conceptions spécialisées qui peuvent simplifier la structure du système optique, en se caractérisant par la minceur, la miniaturisation et l'intégration élevée.
 

Méthodes de traitement des superlentilles

Basé sur la photolithographie
La photolithographie est un procédé qui combine l'exposition et la gravure. Un masque comportant un motif est placé sur un substrat recouvert d'une résine photosensible. La résine photosensible est modifiée chimiquement par exposition à une source lumineuse spécifique. Après le développement et la gravure, des couches à l'échelle du micron et du nanomètre sont formées sur le substrat. Le processus de photolithographie comprend généralement l'usinage du substrat, le revêtement du substrat, le revêtement rotatif de la résine photosensible, le séchage doux, l'exposition, le développement, le séchage dur, la gravure et les essais.
La photolithographie a une haute résolution et permet un contrôle précis de la forme et de la taille du motif formé. Elle a un large éventail d'applications dans la fabrication des semi-conducteurs et de la microélectronique, l'optique, la biologie, les métamatériaux, etc. Toutefois, son application est limitée par le coût élevé de l'équipement, les exigences élevées en matière d'utilisation de l'environnement et la disponibilité limitée des matériaux appropriés.
 
Lithographie par faisceau d'électrons (EBL)
À l'aide d'un faisceau d'électrons, un motif est inscrit directement sur une surface recouverte d'une résine en modifiant la solubilité de la résine. La lithographie par faisceau d'électrons est la lithographie à la plus haute résolution connue, avec une résolution inférieure à 10 nm. Avec une résolution ultra-haute et sans les avantages de la plaque de masque de photolithographie, ses inconvénients sont : 1, une grande précision pour aligner l'enregistrement afin de réaliser 2, une faible efficacité, difficile à appliquer à la production de masse à grande échelle 3, la vitesse d'exposition est lente. Par conséquent, cette technologie est principalement utilisée pour la production de gabarits de lithographie par projection optique, la conception et la vérification de nouvelles technologies de lithographie, la recherche expérimentale, la vérification de prototypes, etc.
 
 

Lithographie par écriture directe par laser femtoseconde

La lithographie par écriture directe au laser femtoseconde, également connue sous le nom de lithographie à deux photons ou de polymérisation à deux photons (TPP), est un processus dans lequel un faisceau laser femtoseconde est focalisé à l'intérieur d'un matériau sensible à la lumière et, par l'intermédiaire d'un photoinitiateur, déclenche une réaction de polymérisation qui forme des micro/nanostructures en contrôlant le mouvement de la focalisation du laser. Les lasers femtoseconde ontHaute précision et flexibilitérépondre en chantantvéritable usinage 3DCes caractéristiques permettent de fabriquer des microstructures 3D de précision de formes arbitraires sans avoir recours à des masques optiques, la plus petite taille de caractéristique atteignant aujourd'hui 10 nm.
Superlentille fabriquée avec la technologie TPP
 
 

Technologie de la nano-impression (approfondie)

La lithographie par nano-impression (LNI) est un procédé de micro-nanofabrication permettant de produire des motifs à l'échelle nanométrique. Il s'agit d'un processus de micro-nanofabrication dans lequel un gabarit avec un motif de taille nanométrique est appliqué sur un substrat de matériau polymère d'une certaine manière afin de reproduire le motif par impression à échelle égale.
La nano-impression est la méthode la plus courante pour traiter les structures polymères. AyantFaible coût, courte période de construction, rendement élevé, haute résolutionet d'autres avantages.
Les principaux procédés technologiques de nanoimpression, arrivés à maturité et couramment utilisés, sont les suivants :La technologie de la nano-impression thermique (T-NIL), la technologie UV-NIL et l'impression par micro-contact (μCP).

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