Výroba a optimalizace dielektrických metačoček

Fabrication and optimization of dielectric metalenses

Funkční vzorek

Optický metapovrch se skládá ze stavebních kamenů – nanostruktur – kterými je možné ovládat fázi prošlého světla s vysokým prostorovým rozlišením a replikovat tak funkčnost tradičních optických prvků za současného výrazného zmenšení jejich celkové tloušťky. Plasmonické optické metapovrchy sestávající z kovových stavebních kamenů mají jen omezenou schopnost měnit fázi světla, které jimi projde, a taky v nich dochází ke ztrátám způsobeným absorpcí. Dielektrické optické metapovrchy tato omezení nemají a jsou obecně účinnější – výroba jejich stavebních kamenů ale bývá zpravidla náročná. Pro přípravu dielektrického optického metapovrchu s funkčností spojné čočky byla na transparentní substrát z taveného křemene nejdříve pomocí magnetronového naprašování nanesena 550 nm vysoká vrstva oxidu titaničitého. Tato dielektrická vrstva byla následně upravena do podoby stavebních kamenů metapovrchu selektivním reaktivním iontovým leptáním přes chromovou masku vytvořenou pomocí elektronové litografie. Tvary a velikosti výsledných stavebních kamenů metapovchu byly kontrolovány pomocí rastrovací elektronové mikroskopie. Metapovrch byl navrhnut pro záření s vlnovou délkou 650 nm. Stavební kameny z oxidu titaničitého ve tvarech válců s výškou 550 nm a průměrmi 100 nm a 175 nm jsou na metapovrchu umístěny ve čtvercové síti s rozestupy 400 nm a střídají se v zónách tvořených ze soustředných kružnic, čím je zabezpečena funkčnost metapovrchu – spojné čočky. Plocha vytvořené spojné čočky je 100 μm x 100 μm a její ohnisková vzdálenost byla experimentálně určena jako (63±5) μm.

An optical metasurface is composed of building blocks – nanostructures – which allow for control of the transmitted light with high spatial resolution and replication of the functionalities held by traditional optical components simultaneous to significant miniaturization of their absolute thickness. Plasmonic optical metasurfaces composed of metallic building blocks have limited possibilities in steering the phase of the light, which is transmitted through them and also, they suffer from losses caused by light absorption. Dielectric optical metasurfaces have no such limitations and generally show higher effectivity than their plasmonic alternatives – however, the fabrication of the dielectric building blocks is often challenging. To fabricate the dielectric optical metasurface with the functionality of a focusing lens, we first deposited the 550 nm thick layer of titanium dioxide on the transparent fused silica substrate using magnetron sputtering. This dielectric layer was subsequently transformed into the metasurface building blocks using the selective reactive ion etching through a chromium mask created with electron beam lithography. The shapes and sizes of the final metasurface building blocks were checked with scanning electron microscopy. The metasurface was designed for light with wavelength of 650 nm. The building blocks from titanium dioxide – cylinders with the height of 550 nm and diameters of 100 nm and 175 nm – are located on the metasurface in a square array (period 400 nm) and they are alternated in concentric-circle-shaped zones, which supports the functionality of the metasurface – focusing lens. The area of the created focusing lens is 100 μm x100 μm and its focal length was experimentally found as (63±5) μm.

dielectric metasurfaces; metalens

dielectric metasurfaces; metalens

CEITEC VUT, Purkyňova 123, Brno-Medlánky, 612 00

K využití výsledku jiným subjektem je vždy nutné nabytí licence

http://surfaces.fme.vutbr.cz/laboratories/developed-instruments/focusing-lens-as-a-dielectric-metasurface/