[发明专利]光学超表面及相关制造方法和系统

说明书

本发明涉及一种用于制造被配置为在给定的工作光谱带中操作的光学超表面的方法(100)。该方法包括：获得(110)图案的2D阵列(220)，每个图案包括一个或多个纳米结构，该一个或多个纳米结构形成在工作光谱带中谐振的谐振介电元件(222)，所述纳米结构在至少一种光敏介电材料中形成，所述至少一种光敏介电材料的折射率能够通过暴露于波长位于光敏光谱带中的至少一个写入电磁波而变化；将所述2D阵列暴露(120)于至少一个波长位于所述光敏光谱带中的写入电磁波，所述写入波在2D阵列的平面中具有作为预期相位分布的函数的空间能量分布，使得在所述暴露之后，2D阵列中的每个图案在波长位于工作光谱带中的入射电磁波上产生与所述图案在所述暴露期间经历的折射率变化相对应的相位变化。

技术领域

本发明涉及光学超表面领域，更具体而言，涉及介电光学超表面的定制制造。

背景技术

为了控制光束，更一般而言，为了控制电磁波，传统部件(例如棱镜或透镜)在通过形成该传统部件的材料的传播过程中产生累积相位延迟。因此，对于例如棱镜或透镜而言，在具有给定折射率的材料中穿过的厚度连续变化，以便与在空气中的传播相比增加光程。因此，部件的光学功能完全由其固有特性(例如形状和折射率)确定。

目前，纳米技术使得设计一类新的光学部件成为可能，该类光学部件称为“光学超表面”，其由包括纳米结构(例如由介电或金属材料制成的纳米柱或其它颗粒，其形成谐振或准谐振元件的光栅)的2D光学元件形成。光学超表面(例如在Minovich等人的综述文章Functional and optical metasurfaces,Laser Photonics Rev.,1-19(2015)中所描述的)尤其允许相位、振幅和/或偏振在波长数量级的厚度尺度上发生突变。因此，与传统的光学部件相比，这些光学超表面除了是厚度非常小(即小于或等于波长)的平面部件之外，还在控制波前方面提供了很大的灵活性。为控制光在光学超表面中的传播，需要在空间的三个维度中的两个维度上进行亚波长尺度的结构化，这使得该技术挑战尤其困难。

例如，专利申请公开文本US 2017/0212285描述了具有以2D阵列分布的谐振元件并使得可以控制红外范围内的入射波的相位的介电光学超表面。谐振元件在结构上不同，并且以生成期望的相位分布的方式进行分布。例如，谐振元件具有不同的横向尺寸，以便生成期望的相位分布。

为了在例如上述文献描述的光学超表面中产生对相位的局部控制，需要在波长尺度上完美地控制超表面的每个谐振元件。这种约束使得该方法难以大规模实施。因此，这些技术往往仅限于实验室演示。

本说明书的目的是提供一种用于制造光学超表面的新方法，该方法使得可以克服现有技术中的至少一些困难。

发明内容

根据第一方面，本发明涉及一种用于制造被配置为在给定的工作光谱带中操作的光学超表面的方法，该方法包括以下步骤：

-获得图案的2D阵列，每个图案包括一个或多个纳米结构，该一个或多个纳米结构形成在所述工作光谱带中谐振的介电元件，所述纳米结构在至少一种光敏介电材料中形成，所述至少一种光敏介电材料的折射率能够通过暴露于波长位于光敏光谱带中的至少一个写入电磁波而变化；

-将所述2D阵列暴露于至少一个波长位于所述光敏光谱带中的写入电磁波，所述写入波在所述2D阵列的平面中具有作为预期相位分布的函数的空间能量分布，使得在所述暴露之后，所述2D阵列中的每个图案在波长位于工作光谱带中的入射电磁波上产生与所述图案在所述暴露期间经历的折射率变化相对应的相位变化。

如此描述的制造方法允许光学超表面的定制制造，按照用于光学超表面的光学功能的函数，事后(即在获得包括谐振介电元件的图案的2D阵列之后)执行折射率的局部控制。因此，可以产生具有大尺寸(即大于几个mm²)的光学超表面。