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(zhǎng)“超原子”圖案來(lái)控制入射光。具體而言，超原子圖案會(huì)改變?nèi)肷涔馐�的相位分布，從而�?dǎo)致光束彎曲（重定向）。超原子是微小的納米級(jí)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(xiàn)，但業(yè)界一直使用超透鏡這個(gè)術(shù)語(yǔ)來(lái)涵蓋相位控制所提供的廣泛功能。

為了實(shí)現(xiàn)這種相位控制，超透鏡需要在超原子的折射率和周?chē)�材料的折射率之間實(shí)現(xiàn)較大差異。超透鏡的材料取決于相關(guān)應(yīng)用的目標(biāo)波長(zhǎng)范圍，其中，材料吸收應(yīng)當(dāng)盡可能小，并且制造技術(shù)能夠滿(mǎn)足特征尺寸要求。例如，硅通常被認(rèn)為可用于激光雷達(dá)傳感器等近紅外（IR）應(yīng)用，而對(duì)于二氧化鈦、氮化鎵和氮化硅，則可考慮將其用于可見(jiàn)波長(zhǎng)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(jì)中可能使用的超原子圖案。目前的制造方法包括：

①.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(jí)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?yàn)樗�不適用于超透鏡的大規(guī)模生產(chǎn)。

②.DUV光刻技術(shù)

利用深紫外線(xiàn)（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)。

③.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(jí)圖案復(fù)制提供了一種經(jīng)濟(jì)高效且可擴(kuò)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(duì)Z軸方向變化的支持能力有限。因此，許多當(dāng)前的超透鏡設(shè)計(jì)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(huì)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(huì)使用不同類(lèi)型的UV或熱固化環(huán)氧樹(shù)脂。

總之，超透鏡為低成本大規(guī)模制造帶來(lái)了挑戰(zhàn)，因?yàn)樗鼈儗⒂糜谙辔豢刂频男√卣鞒叽缫约坝糜跀?shù)值孔徑/光束尺寸的大尺寸相結(jié)合。我們?nèi)蕴幱诔�透鏡制造的早期階段，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(shí)現(xiàn)的規(guī)模經(jīng)濟(jì)。然而，在某些應(yīng)用領(lǐng)域，相對(duì)于傳統(tǒng)光學(xué)元件而言，使用薄型超透鏡的優(yōu)勢(shì)可能超過(guò)其成本挑戰(zhàn)，特別是與先進(jìn)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(dòng)駕駛汽車(chē)和面部識(shí)別系統(tǒng)中的3D傳感的激光雷達(dá)、內(nèi)窺鏡和顯微鏡等醫(yī)療設(shè)備、紅外和機(jī)器視覺(jué)攝像頭等監(jiān)控系統(tǒng)、手機(jī)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。