CN117169850A - 一种相位梯度超表面及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种相位梯度超表面及其制备方法和应用，属于纳米光子学领域。本发明相位梯度超表面包括三层材料，底层是厚金属层，可以把入射光全部反射，避免透射损失；中间层是透明介质层，把上下两层金属隔离开；顶层是金属材质的平面阵列，由复合梯形对单元周期性排列而成，复合梯形对单元为两个梯形相互套构而成，包括x方向排列的两个梯形的同向梯形对结构、对尾梯形对结构和对头梯形对结构，以及y方向交错排列的两个梯形构成的交错梯形对结构，采用本发明可以实现调频连续波激光雷达多路扫描，可以大大促进FMCW激光雷达***的小型化、节能化、商业化。
Description
技术领域
本发明涉及纳米光子学，表面等离激元光子学，激光原理，光通信技术，调频连续波激光雷达技术，纳米加工技术，具体涉及一种可实现调频连续波激光雷达切向扫描的相位梯度超表面及其制备方法。
背景技术
上世纪60年代，随着世界上第一台激光器的成功研制，世界各国掀起了激光研究的热潮。毫无例外，激光雷达技术作为一门新兴技术也逐渐发展起来。相比于传统的微波雷达，激光雷达体积小、质量轻、准直性高、抗干扰能力强、安全性高、分辨率更高、更适合低空探测，被广泛的应用在测距、3D建模和测绘领域中。
新世纪以来，自动驾驶行业的迅速发展对激光雷达提出了更高的要求，因为它是自动驾驶汽车的必备组件，决定着自动驾驶行业的发展水平。现行的机械式激光雷达虽然技术成熟，可360°全方位扫描，但是也伴随着配置复杂、价格昂贵、不易集成等问题。在当今集成化的潮流中，混合/全固态激光雷达的概念逐渐发展起来，MEMS微振镜、光学相控阵、Flash和调频连续波法是四条主流技术路线：MEMS微振镜技术相对成熟、尺寸小、成本低、可靠性高，但是寿命短，有效距离短，信噪比低；基于光学相控阵的激光雷达经久耐用，可控性好，扫描速度快，可多目标监控，但是对工艺要求非常高，致使成本高居不下，而且扫描角度有限；Flash激光雷达工作原理类似相机，只需一次快闪就可以捕捉到环境信息，避免了对环境的扫描，但是视场角度有限，探索距离短，探测精度低；调频连续波(FMCW,FrequencyModulated Continuous Wave)激光雷达不仅能测距，而且能利用多普勒原理测速度，灵敏度高、抗干扰能力强、保密性好、不存在串扰问题，但是不能探测切向运动目标，而且***成本高、功耗高。此外，由于自动驾驶的需求牵引，激光雷达的波段集中在近红外波，例如905nm和 1550nm,因为水对红外光有很强的吸收，所以这类激光雷达只能应用在陆地上，不能应用于水下。
通过整体分析，不难发现FMCW激光雷达的性能要优于另外三种方案，非常有可能成为下一代激光雷达技术。在商业界，各大公司已经注意到FMCW技术的潜力，逐渐开始展开行动，例如2019年，自动驾驶公司Aurora将研发调频连续波激光雷达的Blackmore公司收购。
超表面是在超材料的基础上发展而来的，是一种人工合成的由亚波长尺寸的纳米天线周期性排列而成的二维材料，可以实现聚焦、成像、全息、异常反射等功能，大大提高了人们对光的操控能力。与光栅、透镜等传统的光学元件相比，超表面对光相位的操控并非依靠光在空间中传播产生的相位积累，而是通过引入相位突变，在亚波长的范围内即可实现对相位的改变，因而体积小、质量轻、便于集成化。如果将超表面应用到FMCW激光雷达中，超表面凭借自身结构简单、无源、便于集成、精度高等特性必将很大程度上促进FMCW激光雷达的小型化、节能化、商业化。
发明内容
针对上述分析，为了解决FMCW激光雷达不能切向探测、能耗高的问题，本发明设计了一种基于梯形对复合单元结构的超表面，可以实现多路光束反射扫描，并调控光束之间的能量比例。
本发明提供的技术方案如下：
一种相位梯度超表面，基于梯形对复合结构，其包括三层材料，底层是厚金属层，可以把入射光全部反射，避免透射损失；中间层是透明介质层，把上下两层金属隔离开；顶层是金属材质的平面阵列，由复合梯形对单元周期性排列而成，所述复合梯形对单元为两个梯形相互套构而成，包括两个梯形在x方向排列的同向梯形对结构、对尾梯形对结构(两个梯形的下底边相对)、对头梯形对结构(两个梯形的上底边相对)，以及两个梯形在y方向排列的交错梯形对结构。w1是第一个梯形的上底边，w2是第一个梯形的下底边(w1＜w2)，h是第一个梯形的高，同理，w′1是第二个梯形的上底边，w′2是第二个梯形的下底边(w′1＜w′2)，h′是第二个梯形的高，两个梯形的几何参数可以相同也可以不同。Px是复合梯形对单元在x方向的周期，Py是复合梯形对单元在y方向的周期，l表示复合梯形对单元中两个梯形的间距。对于 x方向排列的同向梯形对结构、对尾梯形对结构、对头梯形对结构要求Px/2大于工作波长且保持Py小于工作波长，0≤l≤(Px-h-h′)/2。对于y方向排列的交错梯形对结构，Px大于工作波长且保持/>Py/2小于工作波长，要求 0ll≤min{(Py-w1-w′2)/2，(Py-w′1-w2)/2}。
本发明所提出的超表面均是无源的，所以可以降低***能耗，并且将超表面固有的体积小、质量轻、结构简单等特点引入FMCW激光雷达***中，促进了整个***的小型化。本发明进一步提供了相位梯度超表面在FMCW激光雷达***中的应用，即对于复合梯形对单元为同向梯形对结构，超表面反射光对称分布在+1级与+2级；对于复合梯形对单元为对尾梯形对结构，其是在x方向是对称，凭借梯形间的强耦合使得超表面反射光对称分布在+1级与-1级。对于复合梯形对单元为对头梯形对结构，凭借梯形间的耦合，使得单束正入射光可以产生4 束等能量的异常反射光，分布在±1级和±2级，相比于两束探测光，可以扫描更大的范围，更加全面的分析测试结果。对于复合梯形对单元为交错梯形对结构，由两个梯形在纵向反向排列，成像中心对称，所以超表面反射光对称分布在+2级与-2级。通过调整复合梯形对单元中两个梯形的间距l，实现增加目标扫描范围的光强，提高信噪比与探测精度。
本发明进一步提供超表面的制备方法，包括如下步骤：
(1)制备底层金属：入射激光的波长如果在可见光范围内，一般选用银、铝两种材料，如果在红外波段，一般选用金材料，要求金属衬底厚度d1≥100nm。
(2)制备中间层透明介质：介质层可选用二氧化硅、氟化镁、氟化钙等常用的透明介质材料。介质隔离层厚度30nm≤d1≤60nm。
(3)图像化：所设计的周期性排列的复合梯形对单元通过甩胶(正胶)、前烘、电子束曝光、显影、定影、后烘等步骤得到。通过版图设计，确定复合梯形对单元中两个梯形的上底w1，w1′，两个梯形的下底w2，w2′，两个梯形的高h,h′，两梯形之间的间距l，以及x方向和y方向的单元周期Px，Py。
(4)图形转移：通过电子束蒸镀，剥离，最终得到顶层金属，顶层金属的厚度 20nm≤d3≤50nm，其材料在可见光波段选用银、铝，可以与底层金属材料不同。
(5)聚焦离子束刻蚀：当0nm＜l＜60nm时，在电子束蒸镀的过程中并不能对如此小的间隔敏感，所以会导致预设的间隔仍然被金属覆盖，此时利用聚焦离子束来刻蚀掉多余的金属，精确控制复合梯形对直径的间隔。当l≥60nm或l＝0nm时，间隔足够宽或没有间距，并不需要聚焦离子束来刻蚀。
本发明至少具有以下技术优势：
(1)无源低耗。所设计超表面属于无源器件，不需要额外提供能量，不需要附加控制***，成本低、耗材少。
(2)工艺简单。本发明所需工艺流程简单通用，与现代Si基CMOS工艺相兼容，加工效率高，便于批量生产。
(3)便于集成。所提超表面体积小，质量轻，结构简单，无复杂***。
(4)定量分光。通过调整l的大小，控制多路反射光束的能量比，可以定量控制出射能量。
(5)定向偏转。通过调整结构的周期，可以实现特定波长的特定角度偏转。
(6)扫描范围大。如果有合适的激光光源，两路或多路异常反射光可以大角度扫描空间，解决了FMCW激光雷达不能探测横向物体的劣势。
(7)应用范围广。通过数值仿真确定结构参数后，本发明所提超表面可以适用于可见光波段和红外波段，可以应用于陆地和水下。
(8)测量精度高。多路异常反射光不仅增大了扫描范围，而且可以相互参考，相互对照，综合分析得出测量结果。
附图说明
图1是本发明相位梯度超表面在FMCW激光雷达***中的应用以及该超表面的结构和功能示意图，其中α为入射面，w1，w′1分别为两个梯形的上底，w2，w′2分别为两个梯形的下底，h,h′分别为两个梯形的高，l为两梯形之间的间距，d1，d2，d3分别为底层金属，中间介质，顶层梯形金属的厚度，Px，Py分别为x方向和y方向的单元周期，E为入射光电场，k为入射光波矢，θr1是一级异常反射光反射角度，θr2是二级异常反射光反射角度。
图2是本发明复合梯形对单元由两个梯形相互套构而成的示意图。
图3是本发明具体实施例中同向梯形对结构的相位仿真结果与反射光远场分布的仿真结果。
图4是本发明具体实施例中具有不同间距l的同向梯形对结构在580nm波长下的实测场强相对值和两级光束场强的比值。
图5是本发明具体实施例中对尾梯形对结构的样品扫描电子显微镜照片及其实测远场强度分布。
图6是本发明具体实施例中对头梯形结构的样品扫描电子显微镜照片及其实测远场强度分布。
图7是交错梯形对超表面的结构示意图和仿真远场光强分布结果。
图8是聚焦离子束加工示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。所述实施例仅为示例性的，并不意欲将依据本发明的设计和制备方法限定在实施例所述的材料、图形、条件或者过程参数内。
本发明相位梯度超表面在FMCW激光雷达***中起到大范围扫描的作用，其结构和功能如图1所示。其中，本发明相位梯度超表面，为梯形对复合结构，包括三层材料，底层是厚金属层，中间层是透明介质层，顶层是金属材质的复合梯形对单元周期性排列而成平面阵列，复合梯形对单元具体如图2所示，包括：x方向排列的两个梯形构成的梯形对结构，分别是同向梯形对结构、对尾梯形对结构(两个梯形的下底边相对)、对头梯形对结构(两个梯形的上底边相对)，以及在y方向排列的两个梯形构成的交错梯形对结构，w1是第一个梯形的上底边，w2是第一个梯形的下底边(w1＜w2)，h是第一个梯形的高，同理，w′1是第二个梯形的上底边，w′2是第二个梯形的下底边(w′1＜w′2)，h′是第二个梯形的高，两个梯形的几何参数可以相同也可以不同。Px是复合梯形对单元在x方向的周期，Py是复合梯形对单元在y方向的周期，l表示复合梯形对单元中两个梯形的间距。对于x方向排列的同向梯形对结构、对尾梯形对结构、对头梯形对结构要求Px/2大于工作波长且保持Py小于工作波长，0≤l≤(Px-h-h′)/2。对于y方向排列的交错梯形对结构，Px大于工作波长且保持Py/2小于工作波长，要求0≤l≤min{(Py-w1-w′2)/2，(Py-w′1-w2)/ 2}。
以同向梯形对结构为例，Px＝1440nm，Py＝240nm，l＝0nm，w1＝w′1＝60nm， w2＝w′2＝180nm，h＝h′＝500nm，d1＝150nm，d2＝40nm，d3＝20nm。s偏振(电场垂直入射面方向)的正入射激光与结构相互作用，每梯形均可使相位线性变化并覆盖2π，其中一部分光相位简单叠加，在整个周期内相位变化为4π，另一部分光由于两个梯形之间的相互耦合，它们的相位并没有叠加，而是直接贯穿整个周期，即在整个周期内的相位变化为2π，与前者相比异常反射的角度更小，称之为一级异常反射光，前者为二级异常反射光。根据广义斯涅尔定理：
其中θi为入射角，θr为反射角，λ为工作波长，n为环境折射率，是沿着x轴的相位值，/>为沿着x轴的相位梯度。对于一级异常反射光/>对于二级异常反射光/>在正入射的情况下：/>两级光均可通过改变频率实现光束的扫描，而且相比单束光，两束光扫描范围更广，而且可以相互参考，综合得出测量结果。如图 3所示，左图是仿真得到的在480nm-700nm工作波段下的相位/>的分布，右图是仿真得到的一级异常反射和二级异常反射的反射角度及相对强度。间距l是一个新的自由度，通过调整 l的大小可以调控两束异常反射光的能量比，如图4所示，以580nm的入射光为例，随着l的增加，一级光的能量逐渐减小，二级光的能量逐渐增加，定义χ为一级光与二级光电场强度之比，可以发现，间距l在0nm-60nm时，一级光能量迅速转移到二级光，60nm-220nm缓慢转移直至消失。在FMCW激光雷达***中，通过控制l，可以适当增加目标扫描范围的光强，提高信噪比与探测精度。
对于对尾梯形对结构例子，Px＝1440nm，Py＝240nm，l＝0nm，w1＝w′1＝60nm， w2＝w′2＝180nm，h＝h′＝500nm，d1＝150nm，d2＝40nm，d3＝20nm。两个梯形结构下底边相对。在s偏振(电场垂直入射面方向)的正入射激光的照射下，由于两个梯形之间发生强近场耦合作用，两束异常反射光对称的分布在±1级，如图5所示，适用波段400nm-650 nm。
对于对头梯形对结构例子，Px＝1440nm，Py＝240nm，l＝0nm，w1＝w′1＝60nm， w2＝w′2＝180nm，h＝h′＝500nm，d1＝150nm，d2＝40nm，d3＝20nm。两个梯形结构上底边相对，如图6。在s偏振(电场垂直入射面方向)的正入射激光的照射下，反射光对称分布在法线两侧。由于两个梯形的上底边较短，所以他们之间的近场耦合作用较弱，不如对尾梯形对结构单元之间的耦合强度强，所以导致部分光由于近场耦合对称分布在±1级，另一部分光没有发生耦合，相位简单叠加，对称分布在±2级，最终结果是四束异常反射光对称的分布在±1级和±2级，适用波段400nm-650nm，相比于两束探测光，可以扫描更大的范围，更加全面的分析测试结果。
对于交错梯形对结构例子，Px＝720nm，Py＝480nm，l＝240nm，w1＝w′1＝60nm， w2＝w′2＝180nm，h＝h′＝500nm，d1＝150nm，d2＝40nm，d3＝20nm。两个梯形在y方向上交错排列，两束反射光对称分布在±2级，适用波段500nm-600nm，如图7所示。
本发明所提出的可实现多路光束异常反射的相位梯度超表面是基于由金属—介质层—金属三层结构组成，顶层金属为复合梯形对单元周期性排列而成，它们的工艺流程与现有技术相比，除图形化时曝光的图形不同以外，还增加了聚焦离子束刻蚀，即当0nm＜l＜60nm时，在电子束蒸镀的过程中并不能对如此小的间隔敏感，所以会导致预设的间隔仍然被金属覆盖，此时利用聚焦离子束来刻蚀掉多余的金属，精确控制复合梯形对直径的间隔，如图8所示。当l≥60nm或l＝0nm时，间隔足够宽或没有间隔，并不需要聚焦离子束来刻蚀。
实施例1：
(1)确定参数。通过数值仿真，逐步优化各个参数：w1＝w′1＝60nm，w2＝w′2＝180nm，h＝h′＝500nm，l＝0nm，Px＝1440nm，Py＝240nm，d1＝150nm，d2＝ 40nm，d3＝20nm。梯形均为等腰梯形。
(2)沉积底层金属。通过磁控溅射的方法，在100W功率下，溅射Al靶材50min，可以在Si片上沉积得到150nm的铝薄膜。
(3)沉积中间层。通过磁控溅射的方法，在120W功率下，溅射SiO2靶材60min，可以在Si片上沉积得到40nm的SiO2薄膜；
(4)图像化。曝光版图中复合梯形对单元为对尾梯形对结构，以6000r/s的速度旋涂 AR-P6200.09正光刻胶，膜厚约100nm，在150℃热板上烘1min，在Voyager电子束曝光***中，采用180μC/cm2的剂量进行曝光，然后在AR 600-546显影液中浸泡1min，在AR 600-60定影液中浸泡30s，在去离子水中浸泡30s，最后在130℃热板上后烘1min。
(5)蒸镀顶层金属。通过电子束镀膜仪蒸20nm的铝膜，然后在AR 600-71剥离液中浸泡30min，超声5min，最后用去离子水清洗。
(6)表征与测试，该实施例中复合梯形对单元排列的SEM照片和测试结构如图5所示。
实施例2：
(1)确定参数。通过数值仿真，逐步优化各个参数：w1＝w′1＝40nm，w2＝w′2＝170nm，h＝h′＝500nm，Px＝1440nm，l＝0nm，Py＝220nm，d1＝180nm，d2＝ 50nm，d3＝30nm。梯形为等腰梯形。
(2)沉积底层金属。通过电子束蒸镀的方法沉积180nm铝薄膜。
(3)沉积中间层。通过PECVD沉积50nm SiO2绝缘层。
(4)图像化。曝光版图中复合梯形对单元为对头梯形对结构，其余与实施例1中的步骤(4)相同。
(5)图形转移。通过电子束镀膜仪蒸镀30nm的铝膜，然后在AR 600-71剥离液中浸泡30min，超声5min，最后用去离子水清洗。
(6)表征与测试。结构的SEM照片和测试结构如图6所示。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同限定。
Claims (10)
1.一种相位梯度超表面，其自下而上包括三层材料，底层是金属层，用于入射光全部反射；顶层是金属材质的平面阵列；用于对光的调控；中间层是透明介质层，用于将底层和顶层金属隔离开；其特征在于，所述平面阵列是由复合梯形对单元周期性排列而成，每一个复合梯形对单元为两个梯形相互套构而成，具体为，在x方向的两个梯形排列组合构成的同向梯形对结构、对尾梯形对结构和对头梯形对结构，以及在y方向的两个梯形交错排列构成的交错梯形对结构。
2.如权利要求1所述的相位梯度超表面，其特征在于，所述复合梯形对单元为同向梯形对结构、对尾梯形对结构和对头梯形对结构，复合梯形对单元在x方向的排列周期是Px，Px/2大于工作波长且保持其中h、h′分别表示复合梯形对单元中两个梯形的高，在y方向的排列周期是Py，Py小于工作波长。
3.如权利要求1所述的相位梯度超表面，其特征在于，所述复合梯形对单元为交错梯形对结构，复合梯形对单元在x方向的排列周期是Px，Px大于工作波长且保持在y方向的排列周期是Py，Py/2小于工作波长。
4.如权利要求1所述的相位梯度超表面，其特征在于，在每一个复合梯形对单元中，针对两个梯形的间距l，若复合梯形对单元是同向梯形对结构、对尾梯形对结构和对头梯形对结构，0≤l≤(Px-h-h′)/2，若复合梯形对单元是交错梯形对结构，0≤l≤min{(Py-w1-w′2)/2，(Py-w′1-w2)/2}。
5.如权利要求1所述的相位梯度超表面，其特征在于，入射激光的波长如果在可见光范围内，底层和顶层金属选用银或铝，如果入射激光的波长在红外波段，底层和顶层选用金材料。
6.如权利要求1所述的相位梯度超表面，其特征在于，中间层选用二氧化硅、氟化镁或氟化钙。
7.如权利要求1所述的相位梯度超表面，其特征在于，所述底层的厚度为d1，d1≥100nm，所述中间层的厚度d2，30nm≤d2≤60nm，所述顶层的厚度d3，20nm≤d2≤50nm。
8.一种如权利要求1所述的相位梯度超表面的制备方法，包括如下步骤：
1)制备底层金属；
2)制备中间层透明介质；
3)图像化：所设计的平面阵列通过甩胶、前烘、电子束曝光、显影、定影、后烘等版图设计步骤得到，其中，复合梯形对单元需要确定两个梯形的上底w1，w′1，两个梯形的下底w2，w′2，两个梯形的高h，h′，两梯形之间的间距l，以及复合梯形对单元在x方向和y方向的单元周期Px，Py；
4)图形转移：通过电子束蒸镀，剥离，最终得到顶层金属；
5)聚焦离子束刻蚀：当0nm＜l＜60nm时，利用聚焦离子束来刻蚀掉多余的金属，精确控制复合梯形对直径的间隔，当l≥60nm或l＝0nm时，不需要聚焦离子束来刻蚀。
9.一种如权利要求1所述的相位梯度超表面在FMCW激光雷达***中的应用，其特征在于，对于复合梯形对单元为对尾梯形对结构，相位梯度超表面反射光对称分布在+1级与-1级；对于复合梯形对单元为交错梯形对结构，相位梯度超表面反射光对称分布在+2级与-2级；对复合梯形对单元为对头梯形对结构，相位梯度超表面反射光分布在±1级和±2级，对于复合梯形对单元为同向梯形对结构，相位梯度超表面反射光对称分布在+1级与+2级。
10.如权利要求9所述的相位梯度超表面在FMCW激光雷达***中的应用，其特征在于，通过控制复合梯形对单元中两个梯形的间距l的值，增加目标扫描范围的光强，以提高信噪比与探测精度。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210579265.6A CN117169850A (zh) | 2022-05-26 | 2022-05-26 | 一种相位梯度超表面及其制备方法和应用 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN202210579265.6A CN117169850A (zh) | 2022-05-26 | 2022-05-26 | 一种相位梯度超表面及其制备方法和应用 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
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| CN117169850A true CN117169850A (zh) | 2023-12-05 |
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ID=88945488
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| CN202210579265.6A Pending CN117169850A (zh) | 2022-05-26 | 2022-05-26 | 一种相位梯度超表面及其制备方法和应用 |
Country Status (1)
| Country | Link |
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-
2022
- 2022-05-26 CN CN202210579265.6A patent/CN117169850A/zh active Pending
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