大口径微纳结构平面光学元件的优化

曹鑫蕊; 刘卫国; 周顺; 孙雪平; 朱业传

doi:10.37188/OPE.20223015.1828

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大口径微纳结构平面光学元件的优化

平面光学元件的设计、制造及应用 | 更新时间：2022-08-16

- 大口径微纳结构平面光学元件的优化
- Optimization of large-aperture micro-nano structure planar optical element
- 光学精密工程 2022年30卷第15期页码：1828-1835
- 作者机构：
  
  西安工业大学光电工程学院，陕西西安 710016
- 作者简介：
  
  [ "曹鑫蕊（1997-），女，甘肃兰州人，硕士研究生，2019年于西安工业大学获得学士学位，主要从事微纳光学方面的研究。E-mail：caoxr@163.com" ]
  [ "朱业传（1982-），男，安徽六安人，博士，讲师，硕士生导师，2005年于合肥学院获得学士学位，2008年、2019年于西北工业大学分别获得硕士、博士学位，主要从事微纳光学及微纳器件精确制备等方面的研究。E-mail：zyc_xatu@126.com" ]
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金(52075410;51902240);院长基金(2019GDYJY05);陕西省教育厅协同创新中心项目(20JY031)
- DOI：10.37188/OPE.20223015.1828
  中图分类号： TB133
- 收稿日期：2021-12-07，
  
  修回日期：2021-12-23，
  
  纸质出版日期：2022-08-10
- 稿件说明：
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曹鑫蕊,刘卫国,周顺等.大口径微纳结构平面光学元件的优化[J].光学精密工程,2022,30(15):1828-1835.

CAO Xinrui,LIU Weiguo,ZHOU Shun,et al.Optimization of large-aperture micro-nano structure planar optical element[J].Optics and Precision Engineering,2022,30(15):1828-1835.
曹鑫蕊,刘卫国,周顺等.大口径微纳结构平面光学元件的优化[J].光学精密工程,2022,30(15):1828-1835. DOI： 10.37188/OPE.20223015.1828.

CAO Xinrui,LIU Weiguo,ZHOU Shun,et al.Optimization of large-aperture micro-nano structure planar optical element[J].Optics and Precision Engineering,2022,30(15):1828-1835. DOI： 10.37188/OPE.20223015.1828.

摘要

由微纳结构阵列构建的超构透镜体积小、质量轻，通过复合结构可实现多功能化设计，其口径一般为微米量级，对于诸如厘米级口径的超构透镜，其含有的微纳结构单元数量达到数十亿个。如果采用逐一建模的方式绘制这些微纳结构，必然导致版图文件过大，以至图形绘制时间长以及版图无法打开。为了解决此问题，基于版图设计软件L-Edit提出环状布局的超构透镜设计方法，采用二进制与库调用相结合的方法绘制超构透镜每个圆环中构建单元阵列，从而实现大口径超构透镜版图文件的有效压缩。研究结果表明：设计的超构透镜实现了亚波长聚焦；针对口径为50 mm的超构透镜，利用本文提出的版图绘制压缩方法，其版图文件大小为176 MB，远小于采用逐一建模绘制方式生成的版图文件（3.70 TB），实现了大口径超构透镜版图设计文件海量数据的高效压缩，从而保证了大口径超构透镜元件设计的可制造性。

Abstract

The metalens constructed by the micro-nano structure array is not only small and lightweight， but also has a multi-functional design that can be realized through a composite structure. The existing metalens diameters are generally in the order of micrometers. For a metalens such as a centimeter-level diameter， the number of micro-nano structure units contained in it can reach billions. If these massive micro-nano structures are drawn by modeling them sequentially， the layout file will inevitably be too large， such that the drawing time is so long that the layout cannot be opened. To solve this problem， this study proposes a circular layout metalens design method based on the layout design software L-Edit. This method uses binary coding to divide the metalens into blocks to compress the layout file. Numerical simulation results show that the designed metalens achieves sub-wavelength focusing. For the 50 mm diameter metalens， the layout file size obtained using the proposed layout drawing method is 176 MB. This is much smaller than the layout file size （3.70 TB） generated by the one-by-one modeling and drawing method. This study proves that an efficient compression of massive data of a large-aperture metalens in the layout design ensures the manufacturability of the design of large-aperture metalens elements.

关键词

Keywords

references

朱业传，苑伟政，虞益挺 . 表面等离子体平面金属透镜及其应用［J］. 中国光学， 2017 ， 10 （ 2 ）： 149 - 163 . doi: 10.3788/CO.20171002.0149 http://dx.doi.org/10.3788/CO.20171002.0149

ZHU Y CH ， YUAN W ZH ， YU Y T . Planar plasmonic lenses and their applications ［J］. Chinese Optics ， 2017 ， 10 （ 2 ）： 149 - 163 . （in Chinese） . doi: 10.3788/CO.20171002.0149 http://dx.doi.org/10.3788/CO.20171002.0149

范庆斌，徐挺 . 基于电磁超表面的透镜成像技术研究进展［J］. 物理学报， 2017 ， 66 （ 14 ）： 144208 . doi: 10.7498/aps.66.144208 http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.144208

FAN Q B ， XU T . Research progress of imaging technologies based on electromagnetic metasurfaces ［J］. Acta Physica Sinica ， 2017 ， 66 （ 14 ）： 144208 . （in Chinese） . doi: 10.7498/aps.66.144208 http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.144208

NI X J ， EMANI N K ， KILDISHEV A V ， et al . Broadband light bending with plasmonic nanoantennas ［J］. Science ， 2012 ， 335 （ 6067 ）： 427 . doi: 10.1126/science.1214686 http://dx.doi.org/10.1126/science.1214686

NI X J ， ISHII S ， KILDISHEV A V ， et al . Ultra-thin， planar， Babinet-inverted plasmonic metalenses ［J］. Light： Science & Applications ， 2013 ， 2 （ 4 ）： e72 . doi: 10.1038/lsa.2013.28 http://dx.doi.org/10.1038/lsa.2013.28

ZHENG G X ， MÜHLENBERND H ， KENNEY M ， et al . Metasurface holograms reaching 80% efficiency ［J］. Nature Nanotechnology ， 2015 ， 10 （ 4 ）： 308 - 312 . doi: 10.1038/nnano.2015.2 http://dx.doi.org/10.1038/nnano.2015.2

HIGH A A ， DEVLIN R C ， DIBOS A ， et al . Visible-frequency hyperbolic metasurface ［J］. Nature ， 2015 ， 522 （ 7555 ）： 192 - 196 . doi: 10.1038/nature14477 http://dx.doi.org/10.1038/nature14477

KHORASANINEJAD M ， CHEN W T ， DEVLIN R C ， et al . Metalenses at visible wavelengths： Diffraction-limited focusing and subwavelength resolution imaging ［J］. Science ， 2016 ， 352 （ 6290 ）： 1190 - 1194 . doi: 10.1126/science.aaf6644 http://dx.doi.org/10.1126/science.aaf6644

CHEN W T ， ZHU A Y ， SANJEEV V ， et al . A broadband achromatic metalens for focusing and imaging in the visible ［J］. Nature Nanotechnology ， 2018 ， 13 （ 3 ）： 220 - 226 . doi: 10.1038/s41565-017-0034-6 http://dx.doi.org/10.1038/s41565-017-0034-6

WANG S M ， WU P C ， SU V C ， et al . Broadband achromatic optical metasurface devices ［J］. Nature Communications ， 2017 ， 8 ： 187 . doi: 10.1038/s41467-017-00166-7 http://dx.doi.org/10.1038/s41467-017-00166-7

WANG S M ， WU P C ， SU V C ， et al . A broadband achromatic metalens in the visible ［J］. Nature Nanotechnology ， 2018 ， 13 （ 3 ）： 227 - 232 . doi: 10.1038/s41565-017-0052-4 http://dx.doi.org/10.1038/s41565-017-0052-4

LIN R J ， SU V C ， WANG S M ， et al . Achromatic metalens array for full-colour light-field imaging ［J］. Nature Nanotechnology ， 2019 ， 14 （ 3 ）： 227 - 231 . doi: 10.1038/s41565-018-0347-0 http://dx.doi.org/10.1038/s41565-018-0347-0

DECKER M ， CHEN W T ， NOBIS T ， et al . Imaging performance of polarization-insensitive metalenses ［J］. ACS Photonics ， 2019 ， 6 （ 6 ）： 1493 - 1499 . doi: 10.1021/acsphotonics.9b00221 http://dx.doi.org/10.1021/acsphotonics.9b00221

PARK J S ， ZHANG S ， SHE A ， et al . All-glass， large metalens at visible wavelength using deep-ultraviolet projection lithography ［J］. Nano Letters ， 2019 ， 19 （ 12 ）： 8673 - 8682 . doi: 10.1021/acs.nanolett.9b03333 http://dx.doi.org/10.1021/acs.nanolett.9b03333

CHEN W T ， ZHU A Y ， SISLER J ， et al . A broadband achromatic polarization-insensitive metalens consisting of anisotropic nanostructures ［J］. Nature Communications ， 2019 ， 10 （ 1 ）： 355 . doi: 10.1038/s41467-019-08305-y http://dx.doi.org/10.1038/s41467-019-08305-y

ZUO H J ， CHOI D Y ， GAI X ， et al . High-efficiency all-dielectric metalenses for mid-infrared imaging ［J］. Advanced Optical Materials ， 2017 ， 5 （ 23 ）： 1700585 . doi: 10.1002/adom.201700585 http://dx.doi.org/10.1002/adom.201700585

ZHOU H P ， CHEN L ， SHEN F ， et al . Broadband achromatic metalens in the midinfrared range ［J］. Physical Review Applied ， 2019 ， 11 （ 2 ）： 024066 . doi: 10.1103/physrevapplied.11.024066 http://dx.doi.org/10.1103/physrevapplied.11.024066

TANRIOVER I ， DEMIR H V . Broad-band polarization-insensitive all-dielectric metalens enabled by intentional off-resonance waveguiding at mid-wave infrared ［J］. Applied Physics Letters ， 2019 ， 114 （ 4 ）： 043105 . doi: 10.1063/1.5063967 http://dx.doi.org/10.1063/1.5063967

CHENG Q Q ， MA M L ， YU D ， et al . Broadband achromatic metalens in terahertz regime ［J］. Science Bulletin ， 2019 ， 64 （ 20 ）： 1525 - 1531 . doi: 10.1016/j.scib.2019.08.004 http://dx.doi.org/10.1016/j.scib.2019.08.004

LI H M ， XIAO X J ， FANG B ， et al . Bandpass filter-integrated multiwavelength achromatic Metalens ［J］. Photonics Research ， 2021 ， 9 （ 7 ）： 1384 - 1390 . doi: 10.1364/prj.422280 http://dx.doi.org/10.1364/prj.422280

GROEVER B ， CHEN W T ， CAPASSO F . Meta-lens doublet in the visible region ［J］. Nano Letters ， 2017 ， 17 （ 8 ）： 4902 - 4907 . doi: 10.1021/acs.nanolett.7b01888 http://dx.doi.org/10.1021/acs.nanolett.7b01888

ARBABI E ， ARBABI A ， KAMALI S M ， et al . MEMS-tunable dielectric metasurface lens ［J］. Nature Communications ， 2018 ， 9 ： 812 . doi: 10.1038/s41467-018-03155-6 http://dx.doi.org/10.1038/s41467-018-03155-6

AFRIDI A ， CANET-FERRER J ， PHILIPPET L ， et al . Electrically driven varifocal silicon metalens ［J］. ACS Photonics ， 2018 ， 5 （ 11 ）： 4497 - 4503 . doi: 10.1021/acsphotonics.8b00948 http://dx.doi.org/10.1021/acsphotonics.8b00948

ZHU Y ， YUAN W ， LI W ， et al . TE-polarized design for metallic slit lenses： a way to deep-subwavelength focusing over a broad wavelength range ［J］. Optics Letters ， 2018 ， 43 （ 2 ）： 206 - 209 . doi: 10.1364/ol.43.000206 http://dx.doi.org/10.1364/ol.43.000206

ZHU Y C ， ZHOU S ， WANG Z H ， et al . Investigation on super-resolution focusing performance of a TE-polarized nanoslit-based two-dimensional lens ［J］. Nanomaterials ， 2019 ， 10 （ 1 ）： 3 . doi: 10.3390/nano10010003 http://dx.doi.org/10.3390/nano10010003

SHE A ， ZHANG S ， SHIAN S ， et al . Large area metalenses： design， characterization， and mass manufacturing ［J］. Optics Express ， 2018 ， 26 （ 2 ）： 1573 - 1585 . doi: 10.1364/oe.26.001573 http://dx.doi.org/10.1364/oe.26.001573

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