[论文解读] 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 3

一句话总结

本文提出了一种利用拓扑优化和双光子聚合光刻技术，在低折射率树脂中3D打印多层非色差金属透镜（MAMs），以在可见光谱范围内实现高数值孔径（NA）和超宽带操作。该方法可实现单步制造复杂3D多层结构，效率高达42%，在0.5 NA和0.7 NA下展示了高质量的白光及RGB成像性能。

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.

研究动机与目标

• 为克服单层金属透镜中数值孔径（NA）与带宽之间的根本性权衡。
• 实现在可见光范围（400–800 nm）内高效、超宽带且偏振无关的聚焦。
• 开发一种可扩展的单步制造方法，用于复杂3D多层金属透镜结构，结合双光子聚合技术。
• 通过所制造的MAMs展示在白光及窄带照明下的实际成像性能。

提出的方法

• 采用拓扑优化对多层金属透镜结构进行逆向设计，实现超宽带非色差响应与高NA。
• 利用全波电磁仿真验证并优化逆向设计的MAM几何结构。
• 采用低折射率IP-Dip树脂（n ≈ 1.56，阿贝数 ≈ 35.2）进行双光子聚合光刻（TPL）制造MAMs，以降低材料色散。
• 实施收缩补偿与粘附增强（通过TI Prime涂层）以确保尺寸精度与结构完整性。
• 将0.5 NA与0.7 NA的MAMs集成于同一基底上，用于对比光学表征。
• 利用4f成像系统结合CMOS相机与功率探测器，表征聚焦效率与三维强度分布。

实验结果

研究问题

• RQ1 多层金属透镜设计能否打破非色差金属透镜中数值孔径与带宽之间的权衡？
• RQ2 低折射率、低色散聚合物在3D打印金属透镜中能在多大程度上实现超宽带性能？
• RQ3 逆向设计结合3D打印能否在可见光谱范围内实现高效、高NA聚焦？
• RQ4 与传统2D或体块透镜相比，3D多层结构如何提升成像性能？

主要发现

• 在白光照明下，所制造的0.5 NA MAM在560 nm波长处实现了42%的峰值衍射极限聚焦效率。
• 0.7 NA MAM在可见光谱范围（400–800 nm）内表现出超宽带聚焦性能，且在白光下保持一致性能。
• 对USAF 1951分辨率靶标的成像显示，在白光及窄带照明（458 nm、532 nm、633 nm）下均能清晰分辨第6组元素。
• 3D打印的MAMs优于传统3D打印的菲涅尔透镜与球面透镜，后者表现出强烈的色差。
• 收缩补偿与粘附优化使多层结构得以精确制造，精度达亚微米级。
• 多层设计成功抑制了色差，并实现了超越单层金属透镜极限的高NA工作。