超表面的大规模量产方法亮相,有望革新智能手机镜头

发表于 2020-06-24 14:15:02 收藏 已收藏
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超表面的大规模量产方法亮相,有望革新智能手机镜头

发表于 2020-06-24 14:15:02
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据麦姆斯咨询报道,瑞典查尔姆斯理工大学(Chalmers University of Technology)研发的技术为超表面(metasurfaces)生产制造提供更加简便的方法,从而使得超薄透镜的量产接近现实。

近些年,光学技术取得了巨大进步:智能手机摄像头可与数码单反相机相媲美,这归功于更小、更高性能的传感器和其它电子组件,但镜头(透镜)本身的变化相对较小。在过去的十年中,研究人员开始研究超表面(metasurfaces)技术,期望革新现有的透镜。


超表面是指一种厚度小于波长的人工层状材料,可以通过亚波长的微结构来调控电磁波的偏振、相位、振幅、频率等特性,是一种结合了光学与纳米科技的新兴技术。超表面可视为超材料的二维对应。

虽然,超表面是一些热门光学应用(如激光雷达)的“诱人”材料,但是,迄今为止,超表面的制造仍然涉及昂贵且复杂的工艺,阻碍了其广泛应用。

据麦姆斯咨询报道,瑞典查尔姆斯理工大学的研究项目现已开发出一种新方法来制造相位梯度(phase-gradient)超表面,旨在减少加工时间和所涉及的安全隐患。这项工作发表在ACS Photonics上。

“目前,超表面需采用要求很高的工艺制造而成,这些工艺通常涉及透明电介质的沉积,然后再进行光刻、沉积、蚀刻等步骤。”该项目研究人员在发表的论文中写道,“我们研发了一种经济有效的替代材料平台和制造方法——易用、可扩展且基于无害化学物质,能够极大地加速基于超表面的光学元件的发展进程及产业影响。”

该研究团队的解决方案涉及在半导体制造工艺中使用一种标准的负性光刻胶材料,该材料可以通过电子束曝光变硬。如果使用合适的掩模来图形化材料,则负性光刻胶自身就可以形成超表面,从而将制造工艺流程限制为基本上仅需单步光刻。

尤其是,该项目明确了:使用现有的负性光刻胶材料及新的制造方法,可以实现通往“聚合物超表面”之路。这是一类对光学应用具有吸引力的超材料,但迄今为止尚未得到广泛探索。

该研究团队的新方法包括将所选的聚合物负性光刻胶材料旋涂到玻璃板上,然后通过单次电子束光刻曝光对其进行图形化,以在表面生成高深宽比的纳米鳍(nanofin)结构,从而可以产生超材料的行为。

新方法通过电子束光刻技术进行负性光刻胶材料的图形化。宏观尺寸的超表面透镜可以在几个小时内制作完成,这比任何现有的基于EBL的方法都快得多。

由负性光刻胶材料制成的双折射纳米鳍(nanofin)可用于超表面

大规模量产超表面

瑞典查尔姆斯理工大学的丹尼尔·安德烈(Daniel Andren)表示:“我们可以在塑料薄膜上制作复杂的图形,这种塑料薄膜在显影之后将构成超表面。“最终制造出的光学元件可以像普通相机镜头一样汇聚光线,但它的厚度要薄数千倍,并且也可以灵活使用。”

为了检验新方法,该研究团队在实验室利用一个下午就制造出直径为1厘米的凸透镜,该透镜由超过6亿个独立的纳米级元件组成。然后,在直径为400微米的物体上进行的成像试验表明,所得的图像清楚地显示了目标物体的最佳细节。

该研究团队还构建了具有异常反射特性的光栅和圆柱形超透镜,这表明该制造方法与柔性塑料支架和作为衬底的金属镜都兼容。

由负性光刻胶材料制成的透射式超透镜,用于聚焦和成像

在柔性衬底和反射衬底上制作的超表面

该方法可能对创建平面消色差光学元件特别有价值。根据该研究团队的说法,聚合物的折射率色散通常较低,这可能使其成为此类光学元件的合适材料。去年,哈佛超材料实验室的先驱——费德里科·卡帕索(Federico Capasso)创造了一种由非对称纳米鳍(nanofins)组成的消色差超透镜,能够将光聚焦在可见光谱范围内而不会出现像差,这再次证明了这种消色差超材料的潜力。

“我们的新方法可能是迈向大规模量产超表面的重要一步。”瑞典查尔姆斯理工大学物理系Ruggero Verre评论道,“这就是我们努力实现的目标。超表面可以创造不同的光学应用效果,并提供各种技术实现的可能性。最好的还在后面,敬请关注。”
 

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