寬頻帶消色差反射式超穎透鏡

Broadband Achromatic Reflective Metalens

呂昇鴻(Shen-Hung Lu)

指導教授 ： 管傑雄

國立臺灣大學/電機資訊學院/電子工程學研究所/碩士(2017年)

https://doi.org/10.6342/NTU201703340

摘要

本篇論文期望能針對一個寬頻帶做出消色差的超穎透鏡(broadband achromatic metalens)，在了解什麼是色差之前，先回憶國小自然課實驗都會用到的三菱鏡。光在通過三菱鏡後會因為入射光的波長不同，導致光在材料內部的折射率不同，這會讓透射後的光產生不同的偏折角度，我們稱這個現象叫做色散(color dispersion)。若我們使用這種材料做聚焦式透鏡，勢必會遇到同樣的問題，不同波長的光穿透此材料會聚焦在不同的焦點上，稱為色差(chromatic aberration)。
傳統的消色差鏡組透過不同折射率的材料組合，使不同波長的光在穿透後能聚焦在同一焦點上，但製作上會更加複雜且整個元件會更厚重，於是我們希望透過超穎表面這種次波長結構來控制光的行為，超穎表面的優點是十分輕薄且能利用現有的半導體製程來製作元件。
由以前的文獻中，已經有人做出針對幾個特定波長作出消色差的超穎透鏡，但對於之後的應用仍然十分有限，於是我們在本篇論文中做出針對一寬頻帶的消色差反射式的超穎透鏡。在材料的選擇上，我們選擇了金-二氧化矽-金這種三明治的結構，原因是因為金這個材料在近紅外波段有很高的反射率，且透過這種底層鍍上一層厚金屬的這種結構能使入射光更有效的反射並產生更強的共振。
超穎透鏡是透過表面上的次波長結構來改變光的相位達到所希望的效果，因此聚焦式的超穎透鏡需要遵守一個相位補償的公式，但這個公式在不同波長的入射光代入後會碰到相位補償過小的問題導致消色差元件上的設計會變得十分困難，經由優化後的相位補償公式我們可以得到新的相位補償曲線，再透過兩種概念來設計元件，第一種是利用貝瑞相位(Berry phase或PB-phase)的概念：入射圓偏振光到兩個結構上，若兩結構的旋轉角度相差θ^°則反射後的光相位則會差〖2θ〗^°，另一種新概念為找到一結構在我們預期的消色差波段內相位變化是線性的，而我們又將此結構稱為整合共振單位元素(integrated-resonant unit element)。利用以上兩種概念就能選定不同的單位元素以相對應的旋轉角度去填充整個超穎透鏡。
以現有的半導體製程就能完成元件製作，首先在矽基板上蒸鍍上金屬金(Au)，接著以增強式電漿輔助化學氣相沉積機台沉積二氧化矽(SiO2)，之後塗佈上光阻，並利用ELS-7000將圖形轉印到光阻上，最後蒸鍍上金，掀離後完成元件製作。
量測上是由一超連續雷射產生一光源通過帶通濾光片反射我們不需要的波段，在經過偏振分光鏡及四分之一波片產生右旋偏振光，經聚焦後由一分光鏡入射超穎透鏡，再由裝有步進馬達的紅外線感光耦合元件(IR CCD)作光強度的量測。量測結果可以發現NA值為0.268的寬頻帶消色差反射式超穎透鏡成功的使不同波長的入射光聚焦在同一焦點上，焦距為100um。由此實驗證明了優化後的相位補償公式與我們預期的相符，之後若更換材料仍能以此概念去做穿透式的超穎透鏡的設計，對於未來消色差聚焦式光學元件的應用上會更加廣泛。

關鍵字

寬頻帶消色差 ； 反射式 ； 超穎透鏡 ； 超穎材料 ； 次波長結構 ； 相位補償

並列摘要

Conventional achromatic lens is made of many materials with different refractive index. It’s heavy and bulky. Recently, subwavelength structure can control the light phenomenon and phase which is called metamaterial. To compare with conventional lens, it’s light and thin. In this article, we made a broadband achromatic reflective metalens(BAML). We chose the material Au-SiO2-Au to be our sandwich-like structure because gold is high reflective material in the near infrared region(1200nm-1680nm). Then we present an optimized formula of phase compensation. With CST simulation, we define a new structure operated in the region which phase changes linearly. The structure called integrated-resonant structure is the unit element of BAML. The device is expected to focus the incident light with different wavelength on the the same focal length. If we successfully realize the concept, we can solve the problem of conventional lenses.

並列關鍵字

broadband achromatic ； reflective ； metalens ； metamaterial ； subwavelength structure ； phase compensation

參考文獻

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