一种平面型单片式极化激元超透镜及制备方法

1.本发明属于亚波长电磁波调控技术领域，尤其涉及一种平面型单片式极化激元超透镜及制备方法。


背景技术：

2.传统的光学透镜由于受到衍射极限的限制，分辨率难以达到亚波长量级。由周期性人工微结构组成的阵列式超表面或超材料可以连续改变光的相位，通过相位差的累积实现光束的汇聚，并且可以突破衍射极限，具有亚波长尺度的空间分辨率。然而，在这些阵列式超透镜中，入射光和透、反射光所在的平面通常垂直于超透镜的表面，因此难以集成到现有的片上光学系统中。此外，阵列式超透镜相对复杂的结构也对器件的加工工艺和精度提出了更苛刻的要求。
3.极化激元是光子与物质元激发强耦合所产生的一种准粒子，可以将自由空间中的入射光场压缩到介质表面，压缩比可高达102量级，从而能够在亚波长尺度下对光进行有效调制。传统的表界面极化激元具有面内各向同性的传输模式。当极化激元承载介质的晶格结构为非对称时，沿不同方向具有不同的介电常数。当其中某两个方向的介电常数为异号时，极化激元呈现双曲线型传输。不同于传统的表面极化激元，这种双曲线型极化激元被约束在介质薄层中，因此称为体局域极化激元。因其传播轨迹类似平板光波导，又称为波导型极化激元。
4.波导型极化激元的色散关系和介质的厚度密切相关。在同一频率下，极化激元的面内动量和介质厚度成反比。根据广义菲涅尔折射定律，极化激元面内动量的改变会导致极化激元的传播方向反生改变。因此通过控制介质的厚度变化可以改变极化激元的面内动量，进而使极化激元在界面处发生折射。当厚度变化的区域具有特定的平面几何形状时，折射后的极化激元发生汇聚，从而得到极化激元超透镜。得益于极化激元的本征性质，该超透镜具有亚波长且可调节的分辨率。
5.专利文献cn116203660a公开了一种三维等离激元超透镜、基于其生成手性和非手性成像方法，该三维等离激元超透镜包括二氧化硅衬底，所述二氧化硅衬底的上表面设置有金属层；若干纳米柱，穿过所述金属层并设置于二氧化硅衬底上，其中，若干所述纳米柱具有不同高度且纳米柱的横截面呈椭圆形，每个所述纳米柱的椭圆形横截面具有不同的横轴长度和纵轴长度，每个所述纳米柱横截面以x轴所在直线旋转到纳米柱横截面纵轴长度所在直线形成的方位角不同，每个纳米柱椭圆形横截面与其相邻纳米柱椭圆形横截面中心点之间的距离相同；每个所述纳米柱的上表面设置有金属膜。


技术实现要素：

6.为了解决上述问题，本发明提供了一种平面型单片式极化激元超透镜及制备方法，该超透镜不需要金属天线、周期性阵列或其他辅助结构，制作工艺简单，能实现高分辨率和可调节的极化激元面内聚焦，以形成焦点。
7.为了实现本发明的第一个目的，提供了一种平面型单片式极化激元超透镜，包括自下而上设置的衬底层和极化激元层，所述极化激元层上表面设置具有几何形状的台阶结构，在使用时通过所述台阶结构对入射极化激元进行汇聚。
8.本发明利用波导型极化激元特殊的色散关系，通过精确控制特定区域极化激元材料的厚度变化，实现体系等效折射率的改变，从而调控极化激元的波前和能流方向，实现亚波长尺度极化激元的面内聚焦。
9.具体的，所述衬底层采用金属材料、无机介电材料或有机高分子材料中的一种。
10.具体的，所述极化激元层采用α相三氧化钼、α相五氧化二钒或六方氮化硼中的一种。
11.具体的，所述极化激元层的平面厚度为5nm～5μm。
12.具体的，所述台阶结构的厚度与极化激元层平面厚度的比例为1.2～5。
13.为了实现本发明的第二个目的，提供了一种制备方法，用于上述的平面型单片式极化激元超透镜制备，包括以下步骤：
14.在衬底层上制备极化激元层。
15.在所述极化激元层的表面进行光刻胶掩膜制作，所述光刻胶掩膜的形状由台阶结构的形状决定。
16.采用反应离子刻蚀方法对所述极化激元层表面除光刻胶掩膜外的部分进行刻蚀，以获得对应的台阶结构。
17.对刻蚀后的极化激元层进行清洗，以获得平面型单片式极化激元超透镜。
18.具体的，所述制备极化激元层的方式包括机械剥离、化学气相沉积或磁控溅射。
19.具体的，所述光刻胶掩膜制作厚度为1μm，且在100℃加热并90s固化。
20.与现有技术相比，本发明的有益效果：
21.本发明提供的透镜基于波导型极化激元的特殊的色散关系，利用极化激元的限域电磁场约束效应可以突破光学衍射极限，实现亚波长、甚至深亚波长分辨率。
22.此外，该透镜属于单片式结构，通过选区刻蚀介质材料制备，无需外加微型金属天线或制备复杂周期性微结构，可以减小器件加工难度。
附图说明
23.图1为本实施例提供的平面型单片式极化激元超透镜的结构示意图；
24.图2为本实施例提供的平面型单片式极化激元超透镜的制备流程图；
25.图3为本实施例提供的平面型单片式极化激元超透镜的原子力显微镜照片；
26.图4为本实施例提供的平面型单片式极化激元超透镜的厚度线扫描数据；图5为本实施例提供的平面型单片式极化激元超透镜的近场扫描显微镜照片；
27.图6为本实施例提供的平面型单片式极化激元超透镜的电磁波仿真电场分布示意图；
28.图7为本实施例提供的第一种台阶结构的鸟瞰图；
29.图8为本实施例提供的第一种台阶结构的电磁波仿真电场分布示意图；
30.图9为本实施例提供的第二种台阶结构的鸟瞰图；
31.图10为本实施例提供的第二种台阶结构的电磁波仿真电场分布示意图。
具体实施方式
32.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
33.本技术使用的术语是仅仅出于描述特征实施例的目的，而非旨在限制本技术。在本技术和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多种形式，除非上下文清楚地表明其含义。应当理解，尽管在本技术可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种部位，但这些参数不应限于这些术语。这些术语仅使用来将同一类型的参数彼此分开。例如，在不脱离本技术范围的情况下，第一种台阶结构也是可以被称为第二种台阶结构，类似地，第二种台阶结构也可以称为第一种台阶结构。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在
……
时”或“当
……
时”或“响应于确定”。
34.本实施提供了一种平面型单片式极化激元超透镜，如图1所示，该器件结构简单，由下自上设有衬底1和极化激元层2，该极化激元层2左边为具有厚度变化的台阶结构，该台阶结构具有特定的平面几何形状。
35.在使用过程中，从极化激元层2左边入射的极化激元传播到台阶结构边缘时，由于界面两侧的厚度不同，导致极化激元的面内动量不同，为了满足动量匹配的原则，极化激元的传播方向会在界面处发生折射，从而折射后的极化激元在台阶右侧特定距离处汇聚，形成超透镜的焦点。
36.更具体地，本实施例中的衬底层1采用金属材料、无机介电材料、或有机高分子材料中的一种。
37.极化激元层2采用α相三氧化钼、α相五氧化二钒、六方氮化硼中的一种。
38.同时极化激元层2的平面尺寸为1μm～500μm，厚度为5nm～5μm，而极化激元层2上台阶结构的平面几何形状可选用圆形、半圆形、扇形、三角形或梯形中的一种，此外，台阶结构的厚度与极化激元层2的平面厚度的比例为1.2～5。
39.如图2所示，本实施例还提供了一种制备方法，用于上述实施例提出的平面型单片式极化激元超透镜制备，其过程如下：
40.在衬底层上制备极化激元层。
41.在所述极化激元层的表面进行光刻胶掩膜制作，所述光刻胶掩膜的形状由台阶结构的形状决定。
42.采用反应离子刻蚀方法对所述极化激元层表面除光刻胶掩膜外的部分进行刻蚀，以获得对应的台阶结构。
43.对刻蚀后的极化激元层进行清晰，以获得平面型单片式极化激元超透镜。
44.下面结合附图对本专利的具体实施例作详细说明：
45.具体实施例1：该超透镜所用衬底1为二氧化硅，极化激元层2为α相三氧化钼，左侧厚度较大的区域的厚度为200nm，右侧厚度较小的区域的厚度为150nm，平面几何形状为半径是1.4μm的半圆形。台阶结构的厚度为极化激元层平面厚度的1.3倍。
46.其制备过程包括以下步骤：
47.制作极化激元层：以三氧化钼粉末为原材料，在氧气气氛中，采用化学气相沉积的方法在二氧化硅基底上生长α相三氧化钼晶体。三氧化钼粉末的加热温度为750℃，α相三氧化钼晶体的沉积温度为400℃，反应时间为30min。选择厚度为200nm，长宽大于10μm的α相三
氧化钼晶体作为极化激元层。
48.制作光刻胶掩膜：在α相三氧化钼纳米片上旋涂光刻胶，厚度为1μm，并于100℃加热90s固化。通过光刻确定台阶区域的平面几何形状和位置，显影后形成半径为1.4μm的半圆形光刻胶掩膜。
49.制作厚度变化的台阶结构：采用反应离子刻蚀方法，将掩膜以外的α相三氧化钼刻蚀，刻蚀深度50nm，剩余材料厚度150nm。
50.制作平面型单片式超透镜：溶剂去除残留的光刻胶并干燥后得到平面型单片式极化激元超透镜。
51.如图3和图4所示，为该超透镜的原子力显微镜照片，其厚度约为200nm，其余厚度较小的区域厚度为150nm。
52.如图5所示，可以看到平行的极化激元干涉条纹经过透镜之后，在透镜边缘发生折射，折射的极化激元发生汇聚现象，并在透镜右侧形成一个明显的焦点。
53.如图6所示，与近场扫描显微镜照片高度一致，表明制备的平面型单片式极化激元超透镜可以实现极化激元电磁波的有效汇聚。
54.具体实施例2：如图7所示，该超透镜所用衬底1为二氧化硅，极化激元层2为α相三氧化钼，左侧厚度较大的区域的厚度为300nm，右侧厚度较小的区域的厚度为100nm，平面几何形状为底边为4μm，高为1.5μm的等腰三角形。台阶结构的厚度为极化激元层平面厚度的3倍。
55.其制备过程包括以下步骤：
56.制作极化激元层：以三氧化钼粉末为原材料，在氧气气氛中，采用化学气相沉积的方法在本征硅基底上生长α相三氧化钼晶体。三氧化钼粉末的加热温度为750℃，α相三氧化钼纳米片的沉积温度为400℃，反应时间为30min。选择厚度为300nm，长宽大于10μm的α相三氧化钼纳米片作为极化激元层。
57.制作光刻胶掩膜：在α相三氧化钼纳米片上旋涂光刻胶，厚度为1μm，并于100℃加热90s固化。通过光刻确定台阶区域的平面几何形状和位置，显影后形成底边为4μm，高为1.5μm的等腰三角形光刻胶掩膜。
58.制作厚度变化的台阶结构；采用反应离子刻蚀方法，将掩膜以外的α相三氧化钼刻蚀，刻蚀深度200nm，剩余材料厚度100nm。
59.制作平面型单片式超透镜：溶剂去除残留的光刻胶并干燥后得到平面型单片式极化激元超透镜。
60.如图8所示，可以看到平行的极化激元条纹经过三角形的透镜之后，在透镜边缘发生折射，折射的极化激元发生汇聚现象，并在透镜右侧形成一个明显的焦点，表明制备的平面型单片式极化激元超透镜可以实现极化激元电磁波的有效汇聚。
61.具体实施例3：如图9所示，该超透镜所用衬底1为石英，极化激元层2为六方氮化硼，左侧厚度较大的区域的厚度为75nm，右侧厚度较小的区域的厚度为50nm，平面几何形状为在长为2μm，宽为1μm的长方形内消去半径为0.5μm的半圆形凹槽。台阶结构的厚度为极化激元层平面厚度的3倍。
62.其制备过程包括以下步骤：
63.制作极化激元层：以六方氮化硼晶体为原材料，使用胶带剥离晶体，重复5-10次后
将胶带上的六方氮化硼纳米片转移到石英基底表面。选择厚度为75nm，长宽大于10μm的六方氮化硼纳米片作为极化激元层。
64.制作光刻胶掩膜：在六方氮化硼纳米片六方氮化硼纳米片上旋涂光刻胶，厚度为1μm，并于100℃加热90s固化。通过光刻确定厚度较大区域的几何形状和位置，显影后形成在长为2μm，宽为1μm的长方形内消去半径为0.5μm的半圆形凹槽光刻胶掩膜。
65.制作厚度变化界面：采用反应离子刻蚀方法，将掩膜以外的六方氮化硼刻蚀，刻蚀深度25nm，剩余材料厚度50nm。
66.制作平面型单片式超透镜：溶剂去除残留的光刻胶并干燥后得到平面型单片式极化激元超透镜。
67.如图10所示，可以看到平行的极化激元条纹经过半圆形凹槽的透镜之后，在透镜边缘发生折射，折射的极化激元发生汇聚现象，并在透镜右侧形成一个明显的焦点，表明制备的平面型单片式极化激元超透镜可以实现极化激元电磁波的有效汇聚。
68.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动。这里无需也无法把所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种平面型单片式极化激元超透镜，其特征在于，包括自下而上设置的衬底层和极化激元层，所述极化激元层上表面设置具有几何形状的台阶结构，在使用时通过所述台阶结构对入射极化激元进行汇聚，以形成焦点。2.根据权利要求1所述的平面型单片式极化激元超透镜，其特征在于，所述衬底层采用金属材料、无机介电材料或有机高分子材料中的一种。3.根据权利要求1所述的平面型单片式极化激元超透镜，其特征在于，所述极化激元层采用α相三氧化钼、α相五氧化二钒或六方氮化硼中的一种。4.根据权利要求1或3所述的平面型单片式极化激元超透镜，其特征在于，所述极化激元层的平面厚度为5nm～5μm。5.根据权利要求1所述的平面型单片式极化激元超透镜，其特征在于，所述台阶结构包括圆形、半圆形、扇形、三角形或梯形中的一种。6.根据权利要求1或5所述的平面型单片式极化激元超透镜，其特征在于，所述台阶结构的厚度与极化激元层平面厚度的比例为1.2～5。7.一种制备方法，其特征在于，用于如权利要求1～6任一项所述的平面型单片式极化激元超透镜制备，包括以下步骤：在衬底层上制备极化激元层；在所述极化激元层的表面进行光刻胶掩膜制作，所述光刻胶掩膜的形状由台阶结构的形状决定；采用反应离子刻蚀方法对所述极化激元层表面除光刻胶掩膜外的部分进行刻蚀，以获得对应的台阶结构；对刻蚀后的极化激元层进行清洗，以获得平面型单片式极化激元超透镜。8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述制备极化激元层的方式包括机械剥离、化学气相沉积或磁控溅射。9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述光刻胶掩膜制作厚度为1μm，且在100℃加热并90s固化。

技术总结
本发明公开了一种平面型单片式极化激元超透镜，包括自下而上设置的衬底层和极化激元层，所述极化激元层上表面设置具有几何形状的台阶结构，在使用时通过所述台阶结构对入射极化激元进行汇聚，以形成焦点。本发明还提供一种制备方法。本发明提供的平面型单片式极化激元超透镜为平面型单片式器件，容易与现有的片上集成系统兼容，并且不需要金属天线、周期性阵列或其他辅助结构，制作工艺简单，能实现高分辨率和可调节的极化激元面内聚焦。分辨率和可调节的极化激元面内聚焦。分辨率和可调节的极化激元面内聚焦。


技术研发人员：武英杰 崔震洋 郑斌 陈红胜
受保护的技术使用者：浙江大学杭州国际科创中心
技术研发日：2023.06.28
技术公布日：2023/10/15