全硫系玻璃超构透镜助力长波红外成像元件更轻、更薄

MEMS 2024-10-18 00:02 635浏览 0评论 0点赞

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长波红外（LWIR）成像技术能够在低照度、雾霾、烟雾等复杂环境条件下提供良好的成像效果，并对温度变化敏感。因此，在军事、安防、医疗等领域有着广泛的应用。目前长波红外相机体积大、重量高，而发展轻量化的长波红外成像系统，可以有效助力汽车自动驾驶、无人机视觉等新兴领域的发展。实现这一目标的关键在于开发轻薄、可批量生产的长波红外透镜，而超构透镜技术为此提供了一种有效的实施方案。

据麦姆斯咨询报道，近日，宁波大学红外材料及器件实验室与浙江大学、英国诺丁汉特伦特大学的联合研究团队，提出了一种新型长波红外超构透镜：直接在硫系玻璃表面刻蚀出高深宽比超构透镜微结构，实现长波红外光场的高效聚焦和成像，而且具备结构简单，利于批量制备等优势。相关研究成果以“Surface-patterned chalcogenide glasses with high-aspect-ratio microstructures for long-wave infrared metalens”为题，发表在Opto-Electronic Science （光电科学）期刊，收录于“超构透镜”专题，并作为封面文章。

近年来发展起来的全介质超构透镜技术，是利用人工构造的亚波长结构阵列，实现对入射光场的相位、振幅和偏振态的灵活调控，具有平面超薄、紧凑易集成等优势，非常适用于集成光学系统。制备长波红外全介质超构透镜有两个问题：（1）常见的光学材料（如二氧化硅玻璃）在长波红外是不透明的；（2）异质衬底上制备数个微米厚介质微结构的方案，在复杂环境中可靠性较差（如热失配引起微结构坍塌）。

为了克服这些问题，研究人员提出直接在硅、锗等长波红外透明材料表面直接制备超构透镜。但是硅在长波红外波段具有材料吸收，而锗具有较大的热膨胀系数、并且高温会引起材料吸收增强。硫系玻璃是一种由硫族元素（硫、硒或碲）组成的非晶材料，在长波红外具有高的折射率、极低的吸收损耗和良好的光学热稳定性等优势，已经在光纤、集成光子器件中展现出良好的应用前景。在硫系玻璃表面直接加工超构透镜结构，为实现长波红外超构透镜提供了一种新方案。

该研究团队通过直接对硫系玻璃的表面进行图案化，实现了用于长波红外成像的全硫系玻璃超构透镜。该超构透镜采用优化的深蚀刻工艺，尽管硫系玻璃的机械性能较软，但在同一材料上放置高度为8 μm且直径不同的硫系微柱已成功制备出用于高效透射波前控制。基于全硫系玻璃微结构的长波红外超构透镜的设计过程及相关测试结果如图3所示。

图1 硫系玻璃As₂Se₃及其性能表征

图2 全硫系超构透镜制备流程示意图

图3 全硫系玻璃微结构的长波红外超构透镜的设计过程及相关测试结果

为了量化所制备的全硫系玻璃超构透镜的质量，研究人员对其焦距、聚焦效率、成像分辨率和与温度相关的聚焦性能进行了表征，测量装置及测试结果如图4所示。最后，研究人员利用所制备的全硫系玻璃超构进行了成像，成像结果如图5所示。

图4 全硫系玻璃超构透镜的测试装置及表征

图5 全硫系玻璃超构透镜的成像结果

得益于硫系玻璃As₂Se₃出色的长波红外透射率，所制备的全硫系合金超构透镜表现出衍射极限聚焦特性和高分辨率长波红外成像性能。与异构同类产品相比，单一材料（单片）长波红外超构透镜具有更强的机械稳健性并简化了制造工艺。全硫系玻璃超构透镜具备易于制造和大规模生产的优势，使其成为紧凑型长波红外成像设备的有力候选者，这为自动驾驶、机载监控、个人夜视等长波红外成像提供了巨大发展潜力。

论文链接：

https://doi.org/10.29026/oes.2024.240017