可见光波段TiO_2滤波超构透镜的设计与制备.pdf

摘要

摘要

随着半导体集成器件的快速发展，人类已进入智能时代，信息技术正在推

动产业变革。对于更高的性能需求，传统器件纷纷要求小型化、集成化，透镜

做为光学系统中重要的组成部分，实现透镜的小型化是光学系统集成化的重要

一步。传统透镜需要一定曲率和厚度来实现对光的波前控制，其厚度限制了集

成化的应用。但超构透镜通过亚波长微纳结构提供的相位变化来实现对光波前

的调控，其所需的的微纳结构高度通常在一个到几个光波长范围内，同时微纳

结构的制备工艺又可以与半导体工艺相兼容，有利于光学器件的集成化。滤波

聚焦超透镜由于其窄带特性，可以分离调控不同波长的光，但此类非局域超表

面器件鲁棒性较差，受制于当前微纳制备工艺，此方面许多研究还停留在模拟

设计阶段。由于可见光波段的超透镜可以满足最多的应用需求，TiO2作为一种

具有广泛应用前景的半导体材料，具有良好的光学性能和化学稳定性，在可见

光波段内表现出高的折射率和透过率，是可见光波段超透镜的理想选择。本文

研究了基于非局部共振和几何相位的超构透镜的设计，并制备得到了工作波长

为620nm的滤波透镜。本文的研究成果主要包括以下方面：

TiO2滤波超透镜的设计与数值仿真研究。在COMSOLMultiphysics软件

中对四方周期和六方周期的月牙形单元结构进行了模拟仿真，研究了不同结构

参数的变化对空间相位和偏振转化效率的影响。得到了满足0-2π相位覆盖且

反射偏振转化效率高于85%的单元结构。基于上述单元结构，根据超透镜相

位布聚焦公式构建了基本单元排布阵列，设计了工作波长为530nm、数值孔

径为0.12的超透镜，并利用FDTD软件进行仿真。模拟计算结果显示TiO2

滤波超透镜实现了滤波聚焦功能，模拟结果显示其反射滤波光谱半高宽为30

nm，峰值聚焦效率为56.3%。为了方便进行实验验证，设计了工作波长为591

nm、数值孔径为0.12的透射滤波超透镜，其偏振转换光谱半高宽为18nm，

峰值聚焦效率为30.4%。

TiO2滤波超透镜制备和光学表征。探索了TiO2薄膜制备和反应等离子体

刻蚀的工艺，最终通过微纳制备技术制备了TiO2滤波超透镜，SEM测量得到

实际结构参数与设计参数差别不超过5nm。使用透反光路对TiO2滤波超透镜

性能进行光学表征。TiO2滤波超透镜测量结果为透射偏振转化光谱半高宽为

30nm，620nm波长处聚焦效率为18.3%。

关键词：微纳集成；高精度TiO2结构制备；滤波超构透镜；可见光波段

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Abstract

Abstract

Withtherapiddevelopmentofsemiconductorintegrateddevices,humanityhas

enteredtheeraofintelligence,andinformationtechnologyisdrivingindustrial

transformation.Traditionaldevicesareincreasinglydemandingminiaturizationand

integrationforhigherperformance.Asanimportantcomponentofopticalsystems,

achievingminiaturizationoflensesisacrucialsteptowardstheintegrationofoptical