[論文レビュー] Hyper Resolute Ultra thin Low Cost All-Dielectric Broadband Achromatic Metalenses

Giuseppe Emanuele Lio, Antonio Ferraro+5 more|Figshare|Aug 7, 2020

Metamaterials and Metasurfaces Applications参考文献 1被引用数 13

ひとこと要約

本論文は、生成対抗ネットワーク（GANs）と超高分解能2光子直接レーザーライティング（TP-DLW）リソグラフィーを用いて、超薄型、全ダイエレクトリック、広帯域、非色収差金属レンズの設計および製造のための新規手法を提示する。得られた金属レンズは、焦点距離1.14 mm、焦点深度数百ミクロン、厚さわずか30–40 nmを達成しており、コンパクトなイメージングシステム向けに高性能で低コストなフラット光学素子の実現を可能にする。

ABSTRACT

Metalenses offer the ground-breaking opportunity to realize highly performing low-weight, flat and ultrathin, optical elements which substantially reduce size and complexity of imaging systems. Today, a major challenge in metalenses design is still the realization of achromatic optical elements ideally focussing a broad wavelength spectrum at a single focal length. Here we present a fast and effective way to design and fabricate extremely thin all-dielectric metalenses, optimally solving achromaticity issues by means of machine learning codes. The enabling technology for fabrication is a recently developed hyper resolute two-photon direct laser writing lithography equipment. The fabricated metalenses, based on a completely flat and ultrathin design, show intriguing optical features. Overall, achromatic behavior, focal length of 1.14 mm, depth of focus of hundreds of microns and thickness of only few nanometers allow considering the design of novel and efficient imaging systems in a completely new perspective.

研究の動機と目的

• 広帯域にわたる複数の波長で非色収差焦点化を実現することで、超薄型金属レンズにおける色収差を克服すること。
• 高度なリソグラフィー技術を用いて、全ダイエレクトリック金属レンズの低コストでスケーラブルな製造方法を開発すること。
• 高精度な金属レンズ製造を実現するため、ナノ構造パターニングで100 nm未満の分解能を達成すること。
• 機械学習とナノフォトリソグラフィーを統合した実用的で高速かつ効率的な設計プロセスパイプラインを実証すること。
• 高数値孔径と広帯域スペクトル応答を備えた、コンパクトでフラットかつ軽量な光学システムの実現を可能にすること。

提案手法

• 非色収差焦点化を最適化するため、幾何的パラメータを最適化するために、拡張されたGLOnetsフレームワークを用いた生成対抗ネットワーク（GANs）を採用した。
• エプシロン・ネア・ゼロ（εNZ）特性を有するプラズモニックナノキャビティメタマテリアル（MIMI）を組み込んだ、超高分解能2光子直接レーザーライティング（TP-DLW）システムを用い、100 nm未満の分解能を達成した。
• 780 nmおよび390 nmに共振ピークを持つ多層ナノキャビティ構造（Ag/ZnO/Ag/ZnO）を設計し、高分解能リソグラフィーを支援した。
• PythonおよびCOMSOL Multiphysicsを用いた数値シミュレーションにより、近場位相プロファイルおよび遠方場点スプレッド関数（PSF）を検証した。
• 20 mWのレーザーを用い、4000 μm/sの走査速度でナノキャビティ上にフォトリソグラフィーをパターニングし、PGMEAおよびIPAを用いた開発工程を経て金属レンズを製造した。
• Xenonランプを搭載したカスタム共焦点装置、350–1100 nmのビームプロファイラー、スペクトロメーターを用いて光学的特性を評価し、焦点スポットサイズ、スペクトル応答、色度を測定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 機械学習ベースの設計は、広帯域にわたるスペクトルで超薄型ダイエレクトリック金属レンズにおける非色収差性の課題を効果的に解決できるか？
• RQ2 超高分解能TP-DLWリソグラフィーは、高スループットで50 nm未満の特徴サイズを持つ金属レンズの製造を可能にするか？
• RQ3 50 nm未満の厚さを有する全ダイエレクトリック金属レンズで、達成可能な焦点距離と焦点深度は何か？
• RQ4 MIMIナノキャビティの統合は、光学部品の2光子リソグラフィーの分解能および効率をどのように向上させるか？
• RQ5 製造された金属レンズは、可視光および近赤外波長域で、高い焦点化効率と低い色収差をどの程度維持できるか？

主な発見

• 金属レンズは、焦点距離1.14 mm、焦点深度が数百ミクロンにわたるという性能を示し、軸方向の位置にかかわらず高い安定性を示した。
• 製造された金属レンズは、わずか30–40 nmの厚さであり、これまでに報告された中で最も薄い全ダイエレクトリック金属レンズの一つである。
• 光学的特性評価により、回折限界性能と整合的な全波幅半最大（FWHM）の点スプレッド関数（PSF）を持つ非常に集光されたビームが得られた。
• 350–1100 nmのスペクトル範囲で測定した結果、色収差の最小限のシフトが確認され、可視光および近赤外域で広帯域非色収差特性を有することが確認された。
• ビームプロファイラーの測定結果から、焦点面上に高い強度が得られ、シミュレーションの理論的最大値の90％以上を超過した。
• AFM分析により、±2 nmの精度で表面の粗さが確認され、30–40 nmスケールでのナノ構造の高忠実度再現性が裏付けられた。