撰稿|由课题组供稿
近日，由TMOS（Transformative Meta-Optical Systems） 中心的澳大利亚国立大学Dragomir Neshev研究组，悉尼科技大学Igor Aharonovich研究组以及南洋理工大学Weibo Gao的科研组合作实现了基于单片碳化硅（SiC）的超短焦距超透镜的设计，加工以及测量。该科研成果以“Monolithic Silicon Carbide Metalenses”为题发表于ACS Photonics期刊中。
在过去十年中，碳化硅 (SiC) 受到越来越多的关注，成为纳米光子和量子光子研究的主要材料平台。这是源于其多种吸引人的特性，包括在可见光和红外 (IR) 光谱范围内的低损耗、p 型和 n 型掺杂的可用性、高非线性敏感性等，这些特性优势对于片上器件的设计至关重要。 此外，在 IR 波长范围内存在几种具有良好自旋特性的不同光学活性缺陷，重新激发了人们对 SiC 作为量子光子学和量子信息处理平台的兴趣。
尤其对于大规模光子应用，包括发光二极管 (LED) 和单缺陷发射器，SiC 展现了其独一无二的优势，与此同时超透镜可以为从材料深处收集光提供最佳的解决方案。 例如，使用具有高效率的高数值孔径超透镜可提取从 SiC 表面附近的单个发射器发出的光。 或者拥有具有扩展焦距的超透镜设计有助于材料中未知深度的缺陷的光学寻址和成像。 总体而言，来自 SiC 的超透镜可在需要透镜性能且使用 SiC 材料拓宽可能的波长范围的器件中发挥重要的作用。 然而，迄今为止还没有工作证明 SiC 超透镜可行性。
在这项工作中，该作者设计并实验演示了单片 SiC 的超透镜。此超透镜使用相位变化将入射光汇聚在透镜焦点（即材料深处）。同时透镜被直接制造在块状材料上，可避免使用额外的物镜。具体来说，文章作者设计和制造了两种类型的超透镜——传统的抛物线相超透镜和具有立方横向轮廓的扩展焦点超透镜。其中传统抛物线相超透镜提供的焦点具有更高效率以及更精准（即理想情况）的特性，而具有扩展焦距的透镜提供了更宽空间范围的焦距。选择后者的原因是超透镜能耦合到可能位于 SiC 中不同深度的发射器中，且单个缺陷发射器会在更短的波长下被光激发。
图1 展示了基于不同半径大小产生不同相位分布所加工的单片SiC超透镜。图2 为两种不同超透镜的光学特性。
图1. (a) 抛物线和立方超透镜的 SEM 图像。 (b, c) 为 (a) 中各个元透镜的放大区域，显示柱顶视图。 (d, e) 分别为抛物线和立方元透镜的光学显微镜图像。 (f, g) 为形成超透镜的 SiC柱的侧视图。
图2. (a) 980 nm 激光照射下抛物线超透镜在光线传播方向的强度示图. (b)为 (a) 的在3.5 μm处的横截面。(c) 抛物线元透镜的模拟数据。(d) 由立方元透镜产生的焦点的光强度，其中焦点从 x = 2 延伸到 4.5 μm.。 (e) 为(d) 的横截面，取自 3.5 μm。 (f) 立方元透镜的模拟数据，与在 2-4 μm 区域的实验中观察到的扩展焦点相匹配。
综上，该团队展示了单片 SiC 中两种不同超透镜的设计、制造和表征。 两个镜头都表现出足够的性能，可用于从 SiC 内的嵌入式光源捕获光。 随着制造工艺的进一步改进和优化，特别是消除锥度和增加纵横比，可以制造出具有更高聚焦能力的更好的超透镜。 尽管如此，基于当前的设计，该超透镜仍适用于在近红外光谱范围内对SiC LED 的嵌入式量子发射器的光进行聚焦成像。同时，该研究成果对开发 SiC 纳米光子器件，量子发射器与超光学元件的片上集成都有着促进作用。
悉尼科技大学Otto Schaeper 以及澳大利亚国立大学的Ziwei Yang为论文共同第一作者，悉尼科技大学Igor Aharonovich教授以及澳大利亚国立大学Dragomir Neshev教授为共同通讯作者，此外，悉尼科技大学的Mehran Kianinia，Johannes E. Fröch，澳大利亚国立大学的Andrei Komar和新加坡南洋理工大学的Zhao Mu，Weibo Gao教授对该研究亦有卓越的贡献。该研究得到了澳大利亚研究委员会和亚洲航空航天研究与发展办公室的基金支持。
文章链接：
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsphotonics.2c00178
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