[論文レビュー] 3D Printed Multilayer Structures for High Numerical Aperture Achromatic Metalenses

Chengfeng Pan, Hao Wang+9 more|arXiv (Cornell University)|Aug 27, 2023

Optical Coatings and GratingsMaterials Science被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、低屈折率レジンを用いたトポロジー最適化と二光子硬化リソグラフィーを組み合わせることで、可視光域で高数値孔径（NA）および広帯域動作を実現する3Dプリンティングによる多層非色収差メタレンズ（MAMs）を提案する。この手法により、最大42%の効率を達成する1工程での複雑な3D多層構造のプロトタイピングが可能となり、0.5 NAおよび0.7 NAの高品質な白色光およびRGB像の撮影が実証された。

ABSTRACT

Flat optics consisting of nanostructures of high-refractive-index materials produce lenses with thin form factors that tend to operate only at specific wavelengths. Recent attempts to achieve achromatic lenses uncover a trade-off between the numerical aperture (NA) and bandwidth, which limits performance. Here we propose a new approach to design high NA, broadband and polarization-insensitive multilayer achromatic metalenses (MAM). We combine topology optimization and full wave simulations to inversely design MAMs and fabricate the structures in low-refractive-index materials by two-photon polymerization lithography. MAMs measuring 20 micrometer in diameter operating in the visible range of 400-800 nm with 0.5 NA and 0.7 NA were achieved with efficiencies of up to 42%. We demonstrate broadband imaging performance of the fabricated MAM under white light, and RGB narrowband illuminations. These results highlight the potential of the 3D printed multilayer structures for realizing broadband and multi-functional meta-devices with inverse design.

研究の動機と目的

• 単層メタレンズにおける数値孔径（NA）と帯域幅の根本的トレードオフを克服すること。
• 可視光範囲（400–800 nm）で高効率、広帯域、偏光に依存しない焦点化を実現すること。
• 二光子硬化リソグラフィーを用いて、複雑な3D多層メタレンズ構造をスケーラブルかつ1工程でプロセス可能にする方法を開発すること。
• 実装されたMAMを用いて、白色光および狭帯域照明下での実用的イメージング性能を実証すること。

提案手法

• 広帯域非色収差応答と高NAを有する多層メタレンズ構造を、逆設計によりトポロジー最適化で設計する。
• フル波動電磁界シミュレーションを用いて、逆設計されたMAM幾何形状の妥当性を検証および最適化する。
• 低屈折率のIP-Dipレジン（n ≈ 1.56、アベ数 ≈ 35.2）を用いた二光子硬化リソグラフィー（TPL）によりMAMをプロセスする。これにより材料の分散を低減する。
• 寸法精度と構造的整合性を確保するため、収縮補正と接着性向上（TI Primeコーティングを用いて）を実装する。
• 比較的光学的特性評価を可能にするために、0.5 NAおよび0.7 NAのMAMを1枚の基板上に統合する。
• CMOSカメラおよびパワー検出器を備えた4fイメージングシステムを用いて、焦点化効率および3次元強度分布を測定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 多層メタレンズ設計は、非色収差メタレンズにおける数値孔径と帯域幅のトレードオフを打ち破ることができるか？
• RQ2 低屈折率・低分散性ポリマーは、3Dプリンティングされたメタレンズにおいてどの程度広帯域性能を実現可能にするか？
• RQ3 逆設計と3Dプリンティングの組み合わせにより、可視光域で高効率・高NA焦点化を達成できるか？
• RQ4 3D多層構造は、従来の2Dまたはバルクレンズと比較して、どのようにイメージング性能を向上させるか？

主な発見

• 白色光照射下で560 nmでピーク効率42%の回折限界に近い焦点化効率を示した0.5 NAのMAMが実装された。
• 0.7 NAのMAMは可視光域（400–800 nm）にわたり広帯域焦点化を実現し、白色光照射下でも一貫した性能を示した。
• USAF 1951分解能試験標本の撮影では、白色光および狭帯域（458 nm、532 nm、633 nm）照射下でグループ6の要素を明確に分解できた。
• 3DプリンティングされたMAMは、強い色収差を示す従来の3Dプリンティングされたフレネルレンズおよび球面レンズを上回る性能を示した。
• 収縮補正と接着性最適化により、サブミクロン精度の多層構造が正確にプロセス可能となった。
• 多層設計により色収差が効果的に低減され、単層メタレンズの限界を超えた高NA動作が実現された。