据麦姆斯咨询报道，近日，一支由日本东京农工大学（Tokyo University of Agriculture and Technology）的研究人员组成的团队在IEEE Sensors Journal期刊上发表了基于单晶硅八角形纳米柱的可见光波长微光学线发生器超构透镜（metalens）的最新论文，该论文的研究结果表明，硅基超构表面在可见光波段的光学传感器中具有广阔的应用前景。
基于等离子体和介电机制，超构表面（metasurface）已被成功应用于太赫兹（THz）和千兆赫兹（GHz）波段的先进微机电系统（MEMS）传感器。由于最近微加工技术的进步，超构表面还被用于光学波长的各种应用，包括超构表面透镜（超构透镜）、全息术、波片、光栅和功能光学器件等。
材料选择是超构表面设计和制造中需要考虑的一个重要方面。对于射频应用，金属材料是首选，因为它们能够利用等离子体共振且具有高效率。然而，近年来，介质材料由于其无损特性在光学频率方面受到了越来越多的关注，而欧姆损耗已成为金属材料的一个问题。这个问题在传输模式中至关重要。
硅因其高折射率和低消光系数而常被用于红外波段。在可见光和紫外线区域，人们通常使用在该波长范围内透明的宽带隙材料。然而，由于带隙和折射率之间通常存在负相关，因此优先考虑透明度会降低折射率，从而给制造工艺带来挑战。换句话说，为了获得完整的2π相位覆盖，超构表面变得更厚，并且需要高纵横比的制造工艺。这使得MEMS传感器和超构表面的集成变得困难。
需要注意，由于单晶硅（c-Si）是一种间接跃迁半导体，因此即使在波长小于带隙的情况下（直至约500 nm），它的消光系数也不会显著增加。最近的研究发现，通过优化设计尺寸，由c-Si制成的超构表面在可见光范围内具有足够的透射率。因此，由于与互补金属氧化物半导体（CMOS）的兼容性，使用c-Si被认为是通过集成MEMS和超构表面来开发功能传感器的一种实用方案。然而，c-Si超构表面需要精确的尺寸控制，以防止由于不需要的模式而导致透射率的降低。典型的点束型电子束光刻（EBL）系统能够提供足够的尺寸精度来完成这项任务，尽管其工作效率很低。
图1 本研究提出并制造的超构透镜的SEM图像
本论文的研究表明，精确设计的由c-Si制成的纳米柱可以应用于超构表面，并能取得令人满意的结果，即使在可见光波段。作者们设计了四种线聚焦超构表面透镜，以验证可见光波段的硅纳米柱超构透镜性能的有效性。此外，结合电子束光刻中的字符投影（CP）和可变形状束（VSB）模式，研究人员评估了批量生产和精度控制之间的兼容性。他们成功地获得了由单晶硅纳米柱构成的高效率线聚焦超构表面透镜。在532nm波长下，提出的超构表面透镜的参数如下：透镜厚度为300nm；焦距为3.91mm；方形光阑为2mm；数值孔径为0.25；实测透射率为38.4%~46.8%；焦点处测得的半峰全宽（FWHM）为3.68μm。
图2 室内灯光下所制造超构透镜的线聚焦演示
图3 远场激光线生成演示
图4 超构透镜的焦点观测的设置示意图
图5 四种超构透镜焦点位置的光强度和FWHM比较
该论文中提出的超构透镜既可应用于远场，也可应用于近场。对于线扫描光学应用，其应用范围可从几厘米到几米。它还可应用于将光引导到狭小区域，例如单色仪的狭缝。基于硅材料的可见光区域光学元件的小型化和多功能技术为智能手机和可穿戴设备中的微型摄像头提供了许多机会。例如，本论文研究中提出的高精度超构表面制造方法可应用于微型增强现实（AR）设备的开发。
论文信息：
S.
Ikezawa, R. Yamada, K. Takaki, C. Ogawa and K. Iwami, "Micro-optical
Line Generator Metalens for a Visible Wavelength based on Octagonal
Nanopillars Made of Single-Crystalline Silicon," in IEEE Sensors
Journal, 2022.
DOI: 10.1109/JSEN.2022.3186060
