[논문 리뷰] Hyper Resolute Ultra thin Low Cost All-Dielectric Broadband Achromatic Metalenses

Giuseppe Emanuele Lio, Antonio Ferraro외 5명|Figshare|2020. 08. 07.

Metamaterials and Metasurfaces Applications참고 문헌 1인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 생성적 적대적 네트워크(GANs)와 초해상도 이중광자 직접 레이저 조각하기(TP-DLW) 리소그래피를 활용하여 초박막, 전도체가 아닌, 광역에서의 색수차 보정이 가능한 메탈렌즈를 설계하고 제작하는 새로운 방법을 제시한다. 결과적으로 얻어진 메탈렌즈는 초점 거리 1.14 mm, 초점 심도 수백 마이크론, 두께는 단지 30–40 nm를 기록하여 고성능, 저비용 평면 광학 소자를 실현함으로써 소형 이미징 시스템에 기여한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 광역에서의 색수차 보정 초박막 메탈렌즈의 구현을 위해 다중 파장에서의 광역 색수차 보정 초점화를 가능하게 하는 것.
• 고급 리소그래피 기법을 활용하여 전도체가 아닌 메탈렌즈의 저비용, 확장 가능한 제조 방법을 개발하는 것.
• 고정밀 메탈렌즈 제조를 위한 나노구조 패턴링에서 100 nm 이하의 해상도를 달성하는 것.
• 기계학습과 나노제조를 융합한 실용적이고 빠르며 효율적인 설계 파ipeline을 구현하는 것.
• 고해상도 수축수집 능력과 넓은 스펙트럼 반응을 갖춘 소형, 평면형, 경량 광학 시스템의 실현을 가능하게 하는 것.

제안 방법

• 색수차 보정 초점화를 위한 도체 나노구조의 기하학적 매개변수 최적화를 위해 생성적 적대적 네트워크(GANs), 특히 개선된 GLOnets 프레임워크를 활용하였다.
• ε-근처 영역(εNZ) 특성을 갖는 플라스모닉 나노공진기 메타물질(MIMI)을 통한 초해상도 이중광자 직접 레이저 조각하기(TP-DLW) 시스템을 개선하여 100 nm 이하의 해상도를 확보하였다.
• 780 nm 및 390 nm에서 공진 피크를 갖는 다층 나노공진기 구조(은/ZnO/은/ZnO)를 설계하여 고해상도 리소그래피를 지원하였다.
• 수치 시뮬레이션을 통해 파이썬과 COMSOL Multiphysics를 활용하여 근접장 위상 프로파일과 원거리장 점확산함수(PSF)를 검증하였다.
• 20 mW 레이저를 4000 μm/s 스캔 속도로 사용하여 나노공진기 상의 포토레지스트를 패터닝함으로써 메탈렌즈를 제작하였고, 이후 PGMEA와 IPA를 사용하여 개발하였다.
• 초점점 크기, 스펙트럼 반응 및 색조를 측정하기 위해 테스트용 공형 광학 장치(Xenon 램프, 빔 프로파일러(350–1100 nm), 분광계)를 활용하여 광학적 특성을 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기계학습 기반 설계가 광역에서의 초박막 도체 메탈렌즈의 색수차 문제를 효과적으로 해결할 수 있는가?
• RQ2 초해상도 TP-DLW 리소그래피 기술이 고속도에서 50 nm 이하의 특징 치수를 갖는 메탈렌즈 제조를 가능하게 할 수 있는가?
• RQ3 50 nm 이하 두께의 전도체 메탈렌즈에서 실현 가능한 초점 거리와 초점 심도는 얼마인가?
• RQ4 MIMI 나노공진기의 통합이 이중광자 리소그래피의 해상도 및 효율을 어떻게 향상시키는가?
• RQ5 제작된 메탈렌즈가 가시광선 및 가까운 적외선 영역에서 고성능 초점화 효율과 낮은 색수차를 유지할 수 있는 정도는 어느 정도인가?

주요 결과

• 메탈렌즈는 1.14 mm의 초점 거리를 확보하였고, 수백 마이크론에 이르는 초점 심도를 기록하여 축 방향 위치에서의 뛰어난 성능을 보였다.
• 제작된 메탈렌즈는 두께가 단지 30–40 nm에 불과하여 현재까지 보고된 바 중에서 가장 얇은 전도체 메탈렌즈 중 하나이다.
• 광학적 특성 측정 결과, 확률적 한계에 도달하는 초점화된 빛을 확인하였고, 점확산함수(PSF)의 반폭이 반도체 한계 성능과 일치함을 확인하였다.
• 350–1100 nm 범위에서의 스펙트럼 측정 결과 색수차 이동이 최소한이었으며, 이는 가시광선 및 가까운 적외선 영역에서 광역 색수차 보정 성능을 확인한 것이다.
• 빔 프로파일러 측정 결과, 초점면에서 고강도 빛을 확보하였고, 시뮬레이션에서 이론적 최대값의 90% 이상을 초과하는 피크 강도를 기록하였다.
• AFM 분석 결과 표면 형상이 ±2 nm의 정밀도를 확보하여 30–40 nm 규모에서 나노구조의 고정밀 복제가 이루어졌음을 확인하였다.