[论文解读] 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 13

一句话总结

本文提出了一种新颖的方法，利用生成对抗网络（GANs）和超分辨双光子直接激光写入（TP-DLW）光刻技术，设计并制造超薄、全介质、宽带、非色差金属透镜。所制备的金属透镜实现1.14 mm焦距、数百微米的焦深以及仅30–40 nm的厚度，为紧凑成像系统提供了高性能、低成本的平面光学元件。

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.

研究动机与目标

• 通过在多个波长范围内实现宽带非色差聚焦，解决超薄金属透镜中的色差问题。
• 开发一种利用先进光刻技术的低成本、可扩展的全介质金属透镜制造方法。
• 在纳米结构光刻中实现亚100 nm分辨率，以实现高精度金属透镜制造。
• 展示一种实用、快速且高效的集成机器学习与纳米制造的设计流程，用于光学器件。
• 实现紧凑、平面化且轻量化的光学系统，具备高数值孔径和宽光谱响应。

提出的方法

• 采用生成对抗网络（GANs），特别是改进的 GLOnets 框架，优化介质纳米结构的几何参数，以实现非色差聚焦。
• 利用一种通过等离激元纳米腔超材料（MIMI）增强的超分辨双光子直接激光写入（TP-DLW）系统，实现亚100 nm分辨率，该MIMI具有零介电常数（εNZ）特性。
• 设计多层纳米腔结构（Ag/ZnO/Ag/ZnO），在780 nm和390 nm处具有共振峰，以支持高分辨率光刻。
• 使用Python和COMSOL Multiphysics中的数值模拟验证设计，确认近场相位分布和远场点扩散函数（PSF）。
• 通过在纳米腔上光刻光刻胶，使用20 mW激光以4000 μm/s的扫描速度进行加工，随后在PGMEA和IPA中进行显影，完成金属透镜的制备。
• 采用自定义共聚焦系统进行光学表征，光源为氙灯，配备波束轮廓仪（350–1100 nm）和光谱仪，测量焦点光斑尺寸、光谱响应和色度。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于机器学习的设计能否有效解决超薄介质金属透镜在宽光谱范围内的非色差性挑战？
• RQ2 超分辨TP-DLW光刻技术能否实现在高吞吐量下特征尺寸小于50 nm的金属透镜制造？
• RQ3 全介质金属透镜厚度低于50 nm时，可实现的焦距和焦深是多少？
• RQ4 MIMI纳米腔的集成如何提升双光子光刻在光学元件制造中的分辨率和效率？
• RQ5 所制备的金属透镜在可见光和近红外波段范围内，能否保持高聚焦效率和低色差？

主要发现

• 金属透镜实现了1.14 mm的焦距，焦深延伸至数百微米，表明在轴向位置上具有稳健的性能。
• 所制备的金属透镜厚度仅为30–40 nm，使其成为迄今报道的最薄全介质金属透镜之一。
• 光学表征结果表明光束高度聚焦，点扩散函数（PSF）的半高全宽（FWHM）与衍射极限性能一致。
• 在350–1100 nm波段的光谱测量显示色差极小，证实了在可见光和近红外波段的宽带非色差行为。
• 波束轮廓仪测量结果表明焦点平面处光强极高，峰值光强超过模拟理论最大值的90%。
• AFM分析确认表面形貌精度达±2 nm，验证了在30–40 nm尺度下纳米结构的高保真度复制。