[논문 리뷰] 3D Printed Multilayer Structures for High Numerical Aperture Achromatic Metalenses

Chengfeng Pan, Hao Wang외 9명|arXiv (Cornell University)|2023. 08. 27.

Optical Coatings and GratingsMaterials Science인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 저굴절율 재료를 사용한 3D 프린팅 다층 구조의 색수차 보정 메탈렌즈(MAM)를 제안하며, 구조 최적화와 두광자 중합 라이소그래피를 통해 가시광선 영역에서 높은 수치적 비율(Na)과 광대역 작동을 실현한다. 이 방법은 복잡한 3차원 다층 구조를 단일 공정으로 제작할 수 있으며, 최대 42%의 효율을 달성하여 0.5 NA 및 0.7 NA에서 고품질의 백색광 및 RGB 영상 성능을 입증한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 단일 층 메탈렌즈에서 수치적 비율(NA)과 대역폭 사이의 근본적 상충 관계를 극복하기 위해.
• 가시광선 영역(400–800 nm)에서 고효율, 광대역, 편광에 민감하지 않은 집광 성능을 실현하기 위해.
• 두광자 중합을 활용한 단일 공정으로 복잡한 3차원 다층 메탈렌즈 구조를 확장 가능하게 제작하는 방법을 개발하기 위해.
• 제작된 MAM을 활용해 백색광 및 협대역 조명 조건에서 실용적인 영상 성능을 입증하기 위해.

제안 방법

• 광대역 색수차 보정 및 고NA 성능을 갖춘 다층 메탈렌즈 구조를 역설계하기 위해 구조 최적화를 활용한다.
• 전파 기반 전자기 시뮬레이션을 통해 역설계된 MAM 형상의 유효성과 정밀도를 검증하고 개선한다.
• 낮은 굴절율의 IP-Dip 수지(n ≈ 1.56, 아벨 수 ≈ 35.2)를 사용한 두광자 중합 라이소그래피(TPL)를 통해 MAM을 제작하여 재료의 분산을 감소시킨다.
• 수축 보정 및 부착성 향상(티아이 프라임 코팅을 통한)을 구현하여 치수 정확도와 구조적 안정성을 확보한다.
• 비교적 광학적 특성 분석을 위해 0.5 NA 및 0.7 NA MAM을 동일한 기판에 통합한다.
• CMOS 카메라와 전력 검출기와 함께 4f 영상 시스템을 사용하여 집광 효율과 3차원 강도 프로파일을 특성화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다층 메탈렌즈 설계가 색수차 보정 메탈렌즈에서 수치적 비율과 대역폭 사이의 상충 관계를 극복할 수 있는가?
• RQ2 낮은 굴절율, 낮은 분산 성질을 갖는 고분자 재료가 3D 프린팅 메탈렌즈에서 광대역 성능을 얼마나 향상시킬 수 있는가?
• RQ3 역설계와 3D 프린팅을 융합하여 가시광선 영역에서 고효율, 고NA 집광 성능을 달성할 수 있는가?
• RQ4 3차원 다층 구조 설계는 기존의 2차원 또는 기계적 두꺼운 렌즈에 비해 영상 성능을 얼마나 향상시키는가?

주요 결과

• 백색광 조명 하에서 560 nm에서 최대 42%의 회절 한계 집광 효율을 달성한 0.5 NA MAM이 제작되었다.
• 0.7 NA MAM은 백색광 조명 하에서 가시광선 영역(400–800 nm) 전체에 걸쳐 광범위한 집광 성능을 보이며 일관된 성능을 유지하였다.
• USAF 1951 해상도 표준 테스트 패턴의 영상 분석에서 백색광 및 협대역 조명(458 nm, 532 nm, 633 nm) 조건에서 그룹 6 요소의 명확한 해상도가 확인되었다.
• 3D 프린팅된 MAM은 강한 색수차를 보이는 기존의 3D 프린팅 프리즈마 렌즈 및 구면 렌즈보다 뛰어난 성능을 보였다.
• 수축 보정 및 부착성 최적화를 통해 마이크로미터 이하 정밀도의 정밀한 다층 구조 제작이 가능해졌다.
• 다층 설계가 색수차를 효과적으로 완화하고 단일 층 메탈렌즈의 한계를 초월한 고NA 작동을 실현하였다.