可见光波段的厘米口径高数值孔径氮化硅广角超透镜- 大数跨境

两江科技评论

2018-10-09

导读：中山大学光电材料与技术国家重点实验室余思远教授、董建文教授和陈钰杰副教授等，通过在石英衬底上生长695 nm厚的氮化硅薄膜，设计并刻蚀一系列亚波长氮化硅纳米柱以精确调控光波波前相位，实现了可见光波段的

导读

近日，中山大学光电材料与技术国家重点实验室余思远教授、董建文教授和陈钰杰副教授等，通过在石英衬底上生长695 nm厚的氮化硅（Silicon Nitride）薄膜，设计并刻蚀一系列亚波长氮化硅纳米柱以精确调控光波波前相位，实现了可见光波段的厘米口径高数值孔径氮化硅发散型超透镜（Metalens）。这一研究可应用于可见光的高分辨成像，并展现出展现出良好的广角成像效果。相关成果以“Silicon Nitride Metalenses for Close-to-One Numerical Aperture and Wide-Angle Visible Imaging”为题，发表在《Physical Review Applied》期刊上。

背景介绍

透镜，作为光学仪器设备中的常用元件，广泛应用于照相机、显微镜、望远镜等光学系统中。通常，基于几何光学设计，单一透镜具有弯曲的球面或非球面表面、以及相当的厚度，是对光学透明材料（如玻璃等）进行精密加工而制成。传统光学仪器采用透镜组可以解决光学成像中的像差或色散问题，从而提升成像品质，这使得仪器体积偏大且笨重，比如显微镜头和单反镜头等。最近，超透镜（Metalens）的出现，大大降低了光学透镜的厚度和重量，使得光学仪器逐渐接近便捷式系统。

超透镜是一种由特定几何形状的亚波长结构单元、按照一定规则组合而成的二维纳米阵列，是一种新型的平面光学元件。它属于超材料（Metamaterial）的一种，光学厚度仅在百纳米量级。超透镜能够实现纳米尺度的精准光场调控，包括调控波长、振幅、相位、偏振等光学自由度，在平面光子学、纳米光子学、近场光学、自旋光学等领域扮演着重要角色。借助超透镜技术，各种镜头将有望大幅缩小，并往微型化、轻量化方向发展。

数值孔径（NA）是透镜的主要技术参数之一，是判断透镜性能高低的重要标志。它用以衡量一个光学系统（镜头）能够收集的光的角度范围，表示了镜头收光锥角的大小，而这也决定了显微物镜收光能力和空间分辨率。通过物理光学的衍射理论，可以推导出NA与分辨率之间的关系。简单来说就是，NA越大，分辨率越小，意味着镜头的分辨能力越强。传统几何光学设计上，要实现大数值孔径的单透镜非常困难，这需要透镜中心厚度和表面曲率要大，对于透镜曲面加工工艺要求苛刻。显微物镜里则通过一系列单透镜组合来实现高数值孔径性能，这也使得显微物镜相当笨重。而在这方面上，超透镜则具有天然的优势。超透镜上每个纳米柱对应于特定的光学相位响应，并具有相同的百纳米级厚度。通过设计高数值孔径透镜上的相位分布，按照相位分布排布纳米柱组合成二维纳米阵列，所形成的高数值孔径超透镜在厚度和重量上都不会有明显的增加。然而在超透镜口径上，以往的研究多集中于百微米量级的口径。能和人眼匹配的大口径超透镜，由于包含了相当大数量级的亚波长纳米柱，这要求前期的大容量版图存储、高性能版图处理能力，以及后期的工艺制备消耗。因此，为了开发高数值孔径的大口径超透镜，需要全新的高效性的版图压缩设计、处理算法和优化的成熟的纳米工艺制备流程来实现。

创新与结论

在这项工作中，研究人员利用半导体集成电路（CMOS）兼容的制造工艺，通过在石英衬底上生长695 nm厚的氮化硅薄膜，利用一系列亚波长氮化硅纳米柱以精确调控光波波前相位，设计并实现了可见光波段的氮化硅发散型超透镜。具体来说，他们制备了自由空间的数值孔径接近于1、百微米口径的平面超透镜，成功将物体缩小到1/59至单模光纤纤芯大小，展现出接近衍射极限的高分辨率。同时，他们通过优化压缩版图设计，还实现了数值孔径为0.78、直径为1厘米的大口径氮化硅超透镜（由超过5亿根亚波长纳米柱子组成），并展现出良好的广角成像效果。他们的研究工作有望用于光学成像透镜的微型化和平面化，在光纤成像、智能手机、全天空望远镜、近眼成像等领域具有较好的潜在应用价值。