CN111060996A - 一种局部空心聚焦超透镜及制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种局部空心聚焦超透镜及制备方法和应用，以透明二氧化硅作为支撑，通过覆盖硅薄膜层以及光刻胶、掩模层后经过曝光、坚模以及干法刻蚀步骤将硅薄膜刻蚀出同心圆环状来实现局部空心聚焦超透镜的制备。所述光学超透镜的硅同心圆环间隔是等周期的，但在高度以及占空比即宽度上各有不同，这种非同圆环的差异实现不同位置上对于入射光相位的调整，利用不同位置对相位的控制使透射的与光学元件同轴的径向偏振的光束在设计焦点处产生局部空心聚焦的光场。本发明具有制备方便简单，成本低廉，利于实现等优点，同时利用超透镜超薄比传统透镜更加简便和高效的结构设计实现局部空心聚焦，在分子冷却和囚禁领域有着非常大的应用前景。

Description

一种局部空心聚焦超透镜及制备方法和应用

技术领域

本发明涉及光学设备领域，涉及一种局部空心聚焦超透镜及制备方法和应用。

背景技术

波前整形在光学领域被广泛应用，例如想要实现涡旋光束、空心光束、表面聚焦光束等，而传统的光学元件虽然使用广泛，但是想要实现这些目标，需要搭建体型笨重、结构复杂的***。此外也有通过利用一些超材料特殊的物理性质，例如负折射率等特性进行加工设计，代替传统的光学***，但是由于大多数超材料包含多层结构，需要复杂的制作工艺才能实现，因此在微小化和集成化的领域中，上述两种光学器件都不适用。

因此，需要一种超薄的、制作方便的光学元件来代替传统光学元件组成的冗长的***和超材料光学器件繁复的制作工艺，来实现对光波波前的调控。同时，这种设计需要满足对于入射光相位全面的调控，同时需要比较高的透射率来减少对于入射光能量的损耗，达到较高的聚焦效率。

硅作为一种优秀的介电材料，能够比较容易地进行加工、刻蚀，并且能够根据要求设计成不同的形状，当加工成和波长量级相当的结构时，通过改变硅圆环尺寸的方式，可以比较容易的实现对电磁波的振幅、相位和偏振实现灵活的操控。此外，作为基底的透明材质，可以利用二氧化硅作为首选，这种透明材料一方面能够很好的让介电材料硅附着，另一方面对于不同波长的入射光信号都有着比较好的透过率。利用这两种材料制作的超透镜，相对于上述的两种光学整形元件，能够形成更为高效、轻便的光学元件，其简易的加工过程以及纳米级的尺寸大小能够更好的生产以及集成，在许多光学方向上都能有所应用，并且形成一种代替传统光学元件的趋势。

发明内容

本发明的目的是提供一种局部空心聚焦超透镜及制备方法和应用，该超透镜能够实现传统光学设备所不能实现的大数值孔径的聚焦效果。

实现本发明目的的具体技术方案是：

一种局部空心聚焦超透镜的制备方法，该方法包括以下具体步骤：

步骤1：制备覆有光刻胶和硅薄膜层的二氧化硅基底

(1)将厚度为350nm，半径在4000-10000nm的透明二氧化硅圆盘经去离子水多次煮沸后用酒精清洗烘干，固定在真空度在1×10^-4Pa到7×10^-4Pa之间的超高真空腔中；选取纯度为99.99％的硅盘作为靶材，溅射气体为浓度99.9％的氩气，利用溅射气体对硅盘进行15分钟的预溅射，去除硅盘表面的氧化层和杂质；之后将二氧化硅圆盘在150-430℃的温度下进行烘烤，同时调节并开启溅射仪，设置溅射气压为1-5Pa，溅射功率为100W，利用溅射气体将靶材中的硅原子溅射到二氧化硅圆盘表面，经过2-3小时后在二氧化硅圆盘上形成厚度300nm的硅薄膜层；之后将其冷却至室温；

(2)对冷却的覆有硅薄膜层的二氧化硅圆盘进行清洗烘培，将它的温度再次提高到150-200℃后置于涂胶机中进行光刻胶涂覆；将光刻胶滴在硅薄膜层表面，开启涂胶机，通过高速旋转二氧化硅圆盘，利用离心力在硅薄膜层上方形成分布均匀的光刻胶层；最后对涂抹了光刻胶的覆有硅薄膜层的二氧化硅圆盘进行甩胶以及前烘来对光刻胶进行凝固、定型同时增加光刻胶和硅薄膜层之间的附着性；

步骤2：设计掩模层的形状以二氧化硅圆盘中心为原点，距离原点不同半径x上的硅圆环对应的相位满足下列公式：

式中

为恒定的相位偏移，取0-2π之间的任意常数；R为超透镜半径，λ为入射超透镜的光波波长，为350nm，f为焦距；通过COMSOL仿真软件对硅圆环的高度和宽度进行扫描后得到不同相位对应的结构参数，根据结构参数制作出同心圆环型的掩模层；

步骤3：光刻胶的曝光、坚模以及硅层的刻蚀

将掩模层置于光刻胶表面用紫外线照射，使未经掩模层遮盖处的光刻胶感光发生化学变化，曝光结束后取下掩模层将基底置于热板上用110-130℃的温度进行1分钟的后烘；用浓度25％的四甲基氢氧化氨显影液冲洗曝光后的光刻胶，感光部分的光刻胶会完全溶解于显影液中，掩模板上的图案完全转移至光刻胶上；最后对光刻胶进行坚模操作，即将覆有硅薄膜层以及曝光过的光刻胶层的二氧化硅基底进行温度100-130℃时间1-2分钟的烘烤，以固定光刻胶的形状并去除多余水分；经过坚模之后将覆有光刻胶和硅薄膜层的二氧化硅圆盘放置于干法刻蚀机中，设置刻蚀气体三氟甲烷气体CHF₃流量20sccm，压强5Pa，功率400w，经过6-7分钟后刻蚀出硅圆环间的缝隙；将经过刻蚀的覆有光刻胶和硅薄膜层的二氧化硅圆盘置于浓度为40％的氢氧化钾溶液浸泡15分钟，脱水甩干后再用75％的乙醇溶液浸泡5分钟，用净水冲洗甩干水分后，最终制得所述的局部空心聚焦超透镜。

一种上述方法制得的局部空心聚焦超透镜。

所述的局部空心聚焦超透镜，厚度轻薄，在1um-1.5um之间，透过的光场形成局部空心聚焦的分布。

一种所述局部空心聚焦超透镜的应用，对置于空心光场中的分子进行禁锢，应用于分子囚禁、光镊等。

本发明的有益效果在于：将原本需要冗长透镜组才能实现的局部空心聚焦精简至一块厚度波长量级的超透镜上，并且在透射率以及聚焦效果方面也有着比较不错的表现，同时也能实现传统光学设备所不能实现的大数值孔径的聚焦效果。本发明利用COMSOL软件对设计的超透镜结构进行了模拟，COMSOL作为一款商用仿真软件，其提供的多物理场的建模和仿真对于光学仪器的设计与模拟实验提供了强大的支持和便利。通过将设计的超透镜模型在软件中绘制，同时附加上各个部分的材料特性，之后设定空间的边界条件以及入射场参数之后可以自动进行运算，求解空间上各点的场强大小。在入射光波长为350nm且功率0.5w且为径向偏振的时候，从半径8245nm的超透镜下部作为入射口打入光信号，透射光在焦距4700nm附近能够实现局部空心聚焦光场，并且在这样高数值孔径下聚焦形成的空心部分边缘的最高光强是入射光的90倍，整体的透射率在70％以上。本发明的扩展性强、应用广，能够将这种亚波长的超透镜尺寸进行一定变化来改变空心区域的大小，按照不同需求应用于光镊、分子囚禁等。

附图说明

图1为本发明局部空心聚焦超透镜的俯视图；

图2为图1中直径A-A方向上的剖面图；

图3为本发明超透镜的每个结构单元的截面图；

图4为本发明不同宽度、高度的介电材料硅圆环的相位延迟以及透射率示意图；

图5为功率0.5w，波长350nm的径向偏振光投射过本发明超透镜后形成的局部空心聚焦光场图；

图6为本发明超透镜焦点处横向的归一化光强分布图；

图7为本发明超透镜焦点处纵向的归一化光强分布图；

图8-图12为本发明超透镜制备过程示意图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步的说明。

本发明的超透镜包括：以二氧化硅为主的透明基底、不同大小的以硅作为介电材料制成的圆环形结构；当一束径向偏正的平面波沿着超透镜的光轴从基底方向入射后，经过表面的硅环形结构的相位调控，能够在焦点附近形成一种局部空心聚焦的光场分布。

获得局部空聚焦的原理如下：

为了获得聚焦的效果，超透镜表面对于入射光的相位调制需要满足这样的要求：

其中λ表示入射光信号的波长，x和f分别表示圆形超透镜上每一点到中心的距离以及超透镜的焦距大小，而

代表了一个恒定的相位因子，可以设为任意0-2π的常数，ψ₁(x)则表示的是距离中心x处的位置对于光束的调制相位的大小。利用这个公式对超透镜上距离中心处不同位置的相位调制进行设定，可以使每一处到达焦点的距离都控制在入射光波长的整数倍，用以实现焦点位置出的干涉增强，达到聚焦的效果。为了产生在焦点位置出现局部空心聚焦的目的，在聚焦超透镜相位配置的基础上附加了一个圆环形的相位分布，让一半入射光和另一半入射光在焦点位置实现干涉相消，那么修改之后的相位分布公式如下：

式中

为恒定的相位偏移，取0-2π之间的任意常数；R为超透镜半径，λ为入射超透镜的光波波长为350nm，f为设计的超透镜的焦距；为了实现介电材料硅制成的圆环在不同位置有着不同相位调控，采取一种较为便捷的方式，将一个圆环看作是一个结构单元，单元中包含了固定高度的空气柱以及周期，对其中的介电材料硅制作的圆环的高度和宽度进行调节，可以获得不同的有效折射率，而这种折射率和相位调制的关系符合：

其中n为等效折射率，D为结构单元的高度，而

就是不同等效折射率下即不同高度宽度的硅圆环产生的相位调制。利用这个特性按照上述相位配置进行排布之后就能够获得想要的局部空心聚焦超透镜。

对于通过上述相位分布的超透镜调制过的透射光，光场的分布满足这样的式子：

其中，x是半径表示空间任意一点和光轴的垂直距离，z为轴向距离，表示空间任意一点到超透镜所在平面的垂直距离，并且设定焦点位置z＝0,而ρ和u分别表示像方的简化半径和轴向距离，E为经过超透镜调制后的归一化光场分布。

参阅图8-12，对于制作本发明的超透镜，工序上也比较便捷，利用等离子体刻蚀的方式就能实现这种近似二维的结构排布，主要有以下几个步骤：

1)利用材料层热氧化或者溅射、化学气相沉积等技术可以将硅薄膜层57附着于拥有高透明度的二氧化硅层56上，形成一种多层结构的圆盘。

2)在图8的基础上需要在硅薄膜层57上覆盖光刻胶层58，可以利用旋转涂抹的方式覆盖在硅薄膜层57上。

3)接着利用曝光的方式将所需要的图案映射在光刻胶层上，形成图9这种光刻胶层58，而在曝光的过程中由于驻波效应，光刻胶的侧壁会有凹凸不平的边缘，这时候通过烘烤的方式让感光与未感光的部分分子进行重新排列，来减弱这种现象。

4)最后如图11所示，采用等离子体束59对覆盖了光刻胶层58的圆盘置于干法刻蚀机中进行刻蚀，得到所要的缝隙，并在完成等离子体刻蚀后清洗残留的光刻胶，得到图12的成品超透镜。

实施例

参阅图1-2，本实施例包括：介电材料硅制作的不同高度和宽度的同心圆环1-48，以及作为基地的透明材料二氧化硅制成的圆盘50，光信号源51。

从图中可以看出，圆对称超透镜52是一种可以对径向偏振的入射光信号进行调制的结构。而超透镜中的每个同心圆环1-48都有个不同的高度以及宽度，但是这种高度的差异并不明显，控制在半个波长的范围之内，因此可以将这个超透镜看作是平面二维的元件，而这种特性让超透镜52能够通过集成电路的制造工艺生产。

超透镜52的同心圆环1-48以及他们之间的缝隙能够让透射的光信号和本身的介电材料结构进行共振耦合，通过对于不同结构的排列顺序，在满足一定的条件下能够使光信号在设计的焦点附近形成一个内部空心的聚焦光场。对于不同位置上的对于相位调制的要求，需要满足下列公式：

其中λ表示入射光信号的波长设定为350nm，x和f分别表示圆形超透镜上每一点到中心的距离以及超透镜的焦距大小，设定为焦距为4700nm，而

代表了一个恒定的相位因子，这里设定为0，R表示超透镜的半径设定为8245nm，两行式子在相位的分布上正好相差了π，以此来实现一半透射光和另一透射半光在焦点处相消干涉，形成局部空心的聚焦效果。为了得到这种对相位的调控能力，设计中通过改变硅圆环的结构尺寸来进行控制。

参阅图3，展示了结构单元的截面图。每一个结构单元包含了透明材料制作的二氧化硅53，空气柱55以及对透射光信号进行调节的介电材料制成的硅圆环1-48。为了利用COMSOL软件方便的分析和模拟每个结构单元对于入射光信号的调控，将空气柱55的高度设计在700nm，而周期即图3结构的宽度设定在170nm，二氧化硅53的厚度设定为175nm。对于这样的结构单元来说，相位的调控实际上就是改变空气柱55和硅圆环54这两部分的有效折射率大小，来实现设计的相位分布。从二氧化硅53的下端入射光信号后，在不断的改变硅圆环54的高度以及宽度的时候从空气柱55的上端监测透射光信号相对于入射时的相位以及强度的变化，得到相应的数据。

参阅图4，记录了图3中硅圆环54在不同高度以及宽度下的相位调制以及透射率大小。从图中可以看到当高度h从150nm到270nm变化，占空比a即宽度和周期的比值从0.3变化到0.8的过程中，结构单元对于相位调控P的范围能够涵盖2π，同时透射率T也都能维持在70％以上。因此，利用这些结构参数可以对不同位置的硅圆环的形状进行设定，来达到设计中对于相位调制的要求。

最后按照相位的设计，将不同尺寸的结构单元放置于对应的位置上，从下端入射特定的光信号就能获得预设的光场。

将光信号51的参数设置成功率为0.5w，波长为350nm，偏振方向为径向偏振的平面波，从超透镜的下端入射进二氧化硅圆盘50，经过二氧化硅圆盘50上的硅圆环1-48和他们之间的缝隙与透射光信号进行共振耦合对光信号的相位进行调制，如图5所示在之后的传播方向上形成了局部空心聚焦的光场分布，同时焦平面的光功率是入射光功率的90倍。

参阅图6-7，是焦点处横向与纵向的光强大小的归一化数值，在焦点位置即空心区域的中心，中心光场强度为周围的1％，可以看出所述的超透镜对于局部空心聚焦光场的调制作用比较出色，能够实现设计的要求。

利用本发明超透镜产生的局部空心光场应用于将共振波长大于350nm的分子囚禁在中心光场最小处。例如将0.5w的入射光经过超透镜产生局部空心聚焦光场，应用于共振波长为359nm的MgF分子囚禁的过程中，在刚制备完成处于磁光阱中时MgF分子的平均温度为527.9μK，局部空心聚焦光场能够提供1320μK的势垒，势垒大小为MgF分子温度的2.5倍，MgF分子能被稳定的禁锢在光阱中心；置于势垒中的MgF分子和光场之间有相互作用受到光学偶极力，力的方向指向光强最低的地方，MgF分子受到的最大的偶极力能够达到2.86×10^-19N，是其重力的7500倍，光阱能够在空间任意位置上抓住分子并进行移动；在光阱中的MgF分子受到光子的冲击，在散射光子的过程中自身会被加热，处于中心区域的分子散射速率仅为0.0029个/s，说明分子被加热的程度很低，能够在光阱中囚禁更长的时间。

以上所述仅为本发明的较佳实施例子而已，超透镜的结构可以根据入射光信号的波长以及设计要求的聚焦的局部空心区域大小不同有所改变，上述实例并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种局部空心聚焦超透镜的制备方法，其特征在于，该方法包括以下具体步骤：

步骤1：制备覆有光刻胶和硅薄膜层的二氧化硅基底

(1)将厚度为350nm、半径在4000-10000nm的透明二氧化硅圆盘经去离子水多次煮沸后用酒精清洗烘干，固定在真空度为1×10^-4Pa到7×10^-4Pa之间的超高真空腔中；选取纯度为99.99％的硅盘作为靶材，溅射气体为浓度99.9％的氩气，利用溅射气体对硅盘进行15分钟的预溅射，去除硅盘表面的氧化层和杂质；之后将二氧化硅圆盘在150-430℃的温度下进行烘烤，同时调节并开启溅射仪，设置溅射气压为1-5Pa，溅射功率为100W，利用溅射气体将靶材中的硅原子溅射到二氧化硅圆盘表面，经过2-3小时后在二氧化硅圆盘上形成厚度300nm的硅薄膜层；之后将其冷却至室温；

(2)对冷却的覆有硅薄膜层的二氧化硅圆盘进行清洗烘培，将其温度再次提高到150-200℃后置于涂胶机中进行光刻胶涂覆；将光刻胶滴在硅薄膜层表面，开启涂胶机，通过高速旋转二氧化硅圆盘，利用离心力在硅薄膜层上方形成分布均匀的光刻胶层；最后对涂抹了光刻胶的覆有硅薄膜层的二氧化硅圆盘进行甩胶以及前烘来对光刻胶进行凝固、定型同时增加光刻胶和硅薄膜层之间的附着性；

步骤2：设计掩模层的形状

以二氧化硅圆盘中心为原点，距离原点不同半径x上的硅圆环对应的相位ψ₂满足下列公式：

式中

为恒定的相位偏移，取0-2π之间的任意常数；R为超透镜半径，λ为入射超透镜的光波波长，为350nm，f为焦距；通过COMSOL仿真软件对硅圆环的高度和宽度进行扫描后得到不同相位对应的结构参数，根据结构参数制作出同心圆环型的掩模层；

步骤3：光刻胶的曝光、坚模以及硅层的刻蚀

将掩模层置于光刻胶表面用紫外线照射，使未经掩模层遮盖处的光刻胶感光发生化学变化，曝光结束后取下掩模层将基底置于热板上用110-130℃的温度进行1分钟的后烘；用浓度25％的四甲基氢氧化氨显影液冲洗曝光后的光刻胶，感光部分的光刻胶会完全溶解于显影液中，掩模板上的图案完全转移至光刻胶上；最后对光刻胶进行坚模操作，即将覆有硅薄膜层以及曝光过的光刻胶层的二氧化硅基底进行温度100-130℃时间1-2分钟的烘烤，以固定光刻胶的形状并去除多余水分；经过坚模之后将覆有光刻胶和硅薄膜层的二氧化硅圆盘放置于干法刻蚀机中，设置刻蚀气体三氟甲烷气体CHF₃流量20sccm，压强5Pa，功率400w，经过6-7分钟后刻蚀出硅圆环间的缝隙；将经过刻蚀的覆有光刻胶和硅薄膜层的二氧化硅圆盘置于浓度为40％的氢氧化钾溶液浸泡15分钟，脱水甩干后再用75％的乙醇溶液浸泡5分钟，用净水冲洗甩干水分后，最终制得所述的局部空心聚焦超透镜。

2.一种权利要求1所述方法制得的局部空心聚焦超透镜。

3.根据权利要求2所述的局部空心聚焦超透镜，其特征在于，厚度在1um-1.5um之间，透过的光场形成局部空心聚焦的分布。

4.一种权利要求2所述局部空心聚焦超透镜的应用，其特征在于，对置于空心光场中的分子进行禁锢，应用于分子囚禁或光镊。

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