[发明专利]色散工程化介电超表面的宽带消色差平坦光学部件

说明书

提供了用于创建用基于超表面的衍射平面部件来替代光学元件的技术。在一个示例中，提供了一种基本平坦的光学部件，用于将具有至少一个波长和第一相位的传入电磁辐射透镜化为具有第二相位的传出电磁辐射。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2017年5月24日提交的美国临时申请序列No.62/510670的优先权，该申请的全部内容通过引用并入本文。

政府支持声明

本发明是在政府支持下根据由国防高级研究计划局授予的合同编号HR0011-17-2-0017和由空军科学研究多学科大学研究院的合同编号FA9550-14-1-0389完成的。政府拥有本发明的某些权利。

背景技术

用衍射平面部件代替体光学元件可以解决光学设备的某些重量和尺寸限制。某些光学设备会因透镜色散而产生大的色差。超表面(metasurfaces)可以控制光学波前，因此可以用于实现平坦的超表面透镜。这样的透镜可以减小某些成像系统的尺寸和复杂性，并且实现新的成像模态。尽管超表面制造技术取得了进步，但由超表面透镜制成的某些光学设备仅在多个或选择的波长下工作。

一个挑战可能是形成在宽波长范围内产生相同焦距的消色差元透镜(achromaticmetalenses)。第二个挑战可能是形成在透射模式下工作于具有任意偏振态的入射光波的宽带消色差元透镜。另一个挑战可能是形成可以校正导致成像质量下降的单色像差的元透镜。仍然需要针对超表面透镜的改进的技术和系统，这样的技术和系统可以在宽波长范围内校正色差和单色像差、可以控制具有任意偏振态的光，并且可以在反射或透射任一种模式下工作。

发明内容

所公开的主题提供了一种用于用基于超表面的平面部件来代替体光学元件的技术。

在某些实施例中，提供了一种基本平坦的光学部件，用于将具有至少一个波长和第一相位分布的传入电磁辐射透镜化为具有第二相位分布的传出电磁辐射。在某些示例中，该光学部件由基板和至少一个超表面制成。在某些示例中，该光学部件由若干基板和若干超表面制成。超表面可以由多个元单元(meta-units)制成。每个元单元可以被定位成与至少一个不同的光学元单元的距离小于波长。

根据所公开的主题的一些实施例，该多个元单元中的每个元单元可以具有特定形状以衍射地散射电磁辐射。该多个元单元可以被配置为向宽带消色差超表面透镜提供光学相位和相位色散的范围。

在某些实施例中，该多个元单元可以由介电材料制成。该介电材料可以是例如硅、氮化硅、氮化镓或二氧化钛。在某些实施例中，该多个元单元可以由金属材料制成。该金属材料可以是例如铝、铜、银或金。

根据所公开的主题的另一个实施例，超表面由构图的膜层制成。膜层的厚度可以在100至10,000nm之间。可以用与互补金属氧化物半导体(CMOS)制造设施兼容的机械和技术来制造超表面。

根据所公开的主题的实施例，元单元可以部分或完全嵌入在基板中。元单元的高度可以变化。元单元可以沿着高度方向改变形状(例如，呈蘑菇形)。

所公开的主题还提供了用于实现上述技术的制造方法。制作用于将具有至少一个波长和第一相位分布的传入电磁辐射透镜化为具有第二相位分布的传出电磁辐射的基本平坦的光学部件的示例方法包括定位基板并在基板上形成至少一个超表面。制作基本平坦的光学部件的另一个示例方法包括在若干个基板上构图若干个超表面并将它们组装到堆叠中。

在一些实施例中，制造方法可以包括形成基板层和在基板层上厚度在100nm与10,000nm之间的构图的膜层。构图可以使用电子束光刻、光刻、深紫外线光刻或压印光刻。制造方法还可以包括将元单元部分或完全嵌入基板中。

附图说明

从以下结合附图进行的详细描述，本公开的其它特征和优点将变得显而易见，附图示出了本公开的说明性实施例，其中：