[发明专利]低深宽比的电介质几何相位超表面材料及其结构优化方法

说明书

本发明公开的低深宽比的电介质几何相位超表面结构材料及其结构优化方法，所述的电介质几何相位超表面结构材料包括基底、基底上的反射层、反射层上的多光束干涉层、以及若干尺寸一致的电介质纳米砖呈周期性排布于多光束干涉层上所构成的电介质纳米砖阵列；所述的电介质纳米砖阵列用来接收垂直入射的圆偏振光，并通过调节各电介质纳米砖的方向来调节出射光的位相。本发明电介质几何相位超表面结构材料的深宽比降至传统的透射式超表面材料的一半，约1.7，从而可减轻对加工工艺的要求，使器件的成品率和量产得到保障。

技术领域

本发明涉及微纳光学领域，尤其涉及低深宽比的电介质几何相位超表面材料及其结构优化方法。

背景技术

近年来，以超表面材料(metasurfaces)为代表的新一代人工电磁结构材料已经成为诸多领域关注的热点。随着超表面独特的光学性质和许多新颖的物理现象不断地被发现，产业界迫切的期待着其能够引领新一轮的光电子产业革命。然而，虽然科学家们声称超表面工艺与现有的半导体工艺完全兼容，事实上其制造却在不断挑战当前半导体工艺加工的极限，在量产方面更是缺乏行之有效的发展思路。比如被《科学》杂志评为2016年全球十大科技突破之一的二氧化钛超表面透镜，其微纳结构的深宽比高达15^[1]，传统半导体工艺无法保证其所需的最低工艺误差要求。即便是采用了文中提到的原子层沉积(ALD)工艺，在器件的成品率和量产方面仍然无法保障，更何况高深宽比器件在成像渐晕和轴外点像差矫正等方面的表现也不尽人意。因此，亟待寻找可行的途径解决学术界和产业界的脱钩。

文中涉及如下文献：

[1]Khorasaninejad M,Chen WT,Devlin RC,Oh J,Zhu AY,CapassoF.2016.Metalenses at visible wavelengths:Diffraction-limited focusing andsubwavelength resolution imaging.Science 352(6290):1190-4.

发明内容

本发明的目的是提供低深宽比的电介质几何相位超表面材料及其结构优化方法，以使超表面材料和半导体工艺兼容。

本发明提供的低深宽比的电介质几何相位超表面结构材料，包括：

基底；

基底上的反射层；

反射层上的多光束干涉层(即F-P层)；

若干尺寸一致的电介质纳米砖呈周期性排布于多光束干涉层上所构成的电介质纳米砖阵列；

所述的电介质纳米砖阵列用来接收垂直入射的圆偏振光，并通过调节各电介质纳米砖的方向来调节出射光的位相。

进一步的，反射层的制备材料为工作波长下反射率高于0.90的金属。

作为优选，所述的反射层的制备材料为金或银。

进一步的，多光束干涉层的制备材料为工作波长下的无损材料。

作为优选，所述的多光束干涉层的制备材料为熔融石英或氟化镁。

进一步的，电介质纳米砖的制备材料为折射率大于3.2的电介质材料；

作为优选，所述的电介质纳米砖结构的制备材料为硅。

本发明提供的低深宽比的电介质几何相位超表面材料的结构优化方法，包括：

(1)优化结构参数，获得优化后的电介质纳米砖单元，具体为：