高数值孔径消色差透镜的3D打印多层结构

发布时间:2023-12-29 20:00:07.000Z

 

不同单透镜和多层透镜的消色差性能。(A) 设计者三维打印的多层消色差透镜(MAM)示意图。(B) 传统和平面光学透镜(包括菲涅尔透镜、多级衍射透镜 (MDL) 和金属透镜)单层和多层示意图。(C) 增加层数后,波长为 400、533 和 800 纳米的焦斑变化情况(结果来自 0.5-NA MAM 的优化三层设计)。(D) 各种消色差金属透镜的效率、数值孔径带宽(在可见光波段工作)。色条和标记大小表示效率、NA 和带宽平方和的平方根所定义的优劣值。灰色平面表示带宽 = 300 nm 和 NA = 0.35 时的先前极限。图例中说明了每种金属膜的 NA 值。来源:《科学进展》,doi: 10.1126/sciadv.adj9262

 

平面光学器件是由含有高折射率材料的纳米结构制成的,其透镜外形纤薄,只能在特定波长下工作。

 

材料科学家们最近试图实现消色差透镜,以揭示限制此类材料性能的数值孔径和带宽之间的权衡问题。在这项工作中,潘承峰与新加坡和中国的工程产品开发、信息技术和计算机工程科学家团队提出了一种新方法,用于设计高数值孔径、宽带和偏振不敏感的多层消色差金属透镜。

 

材料科学家们结合拓扑优化和全波长模拟,利用双光子光刻技术对金属透镜进行了反向设计。研究小组展示了工程结构在白光和红、绿、蓝窄带照明下的宽带成像性能。

 

这些成果凸显了三维打印多层结构实现宽带和多功能元器件的能力。研究成果现已发表在《科学进展》(Science Advances)杂志上,并登上了该杂志的封面。

 

成像性能

 

金属透镜在微观和宏观尺度上的最新进展表明,在光场成像、生物分析、医学和量子技术的各种应用中实现卓越的成像性能具有重要意义。例如,消色差透镜显示出捕捉色彩信息的宽带响应,拓展了光子设备的设计可能性和应用场景。

 

这种构造超小、超薄、重量轻,非常适合制作成像系统中引人注目的金属透镜。然而,大多数金属透镜都是用高折射率材料制成的,以提供良好的光学控制,其强光使得宽带实施具有挑战性。

 

物理学家将阿贝数作为透镜设计中的一个优点数字,表示高折射率材料常用的无色散透明材料,并将其作为实现高效聚焦透镜的公式。

 

 

不同层数和间隔距离下 MAM 的拓扑优化。(A) 优化区域的设计模型和示意图,其中的参数已在文中说明。(B) 归一化强度与层数和间距的关系。通过逆向设计,最佳情况位于 [l, sp] = [3, 1.6 μm]。 (C) 不同层次的边缘圆角和表面光滑度近似示意图:初始设计 (i),通过顶部圆角产生的第 1 层次 (ii)。第 2 层是通过对原点高度矢量应用 10-nm 的相对公差插值生成的 (iii),第 3 层是通过应用 25-nm 的相对插值生成的 (iv)。(D) 不同等级的计算 FWHM (i)、效率 (ii) 和沿传播轴的最大焦点强度位置 (iii)。效率 (ii) 是在与最大焦斑强度相对应的焦平面上计算的。(E) 0.5 NA 制成的 MAM 的倾斜视图扫描电子显微镜图像:(i) 分解的 MAM,显示单层、双层和三层(全层);(ii) 全 MAM 的放大视图;(iii) MAM 的俯视图和尺寸;以及 (iv 和 v) 剖开的 MAM,显示内部结构和 200 纳米宽环形结构的细节。资料来源:《科学进展》,doi: 10.1126/sciadv.adj9262

 

三维打印方法

 

研究团队利用三维打印技术解决了多层消色差金属透镜的制造难题。采用纳米级三维打印方法,只需一个光刻步骤就能将多层透镜图案化,从而快速制作出复杂结构的原型。利用双光子聚合技术,科学家们实现了各种三维设计,包括复杂的微透镜、梯度指数透镜和衍射透镜。

 

在这项工作中,Pan 及其同事利用拓扑优化实现了消色差透镜行为。他们迅速实现了稳定、多层和高分辨率的结构。

 

由此产生的多层消色差金属透镜显示出迄今未知的高效性能水平,整合了纳米级高分辨率三维打印的优势,创造出性能卓越的金属透镜,为设计和制造多功能宽带光学元件和器件提供了新的范例。

 

设计多层消色差金属透镜及其实验结果

 

 

MAM 的聚焦效率和成像性能。(A) NA 为 0.5 和 0.7 的 MAM 在 NA 定义的同一焦平面上的实验和模拟宽带聚焦效率比较。(B) NA 为 0.5 和 0.7 的 MAM 在同一焦平面上的实验和模拟宽带焦距的比较。(C) 通过 0.5-NA MAM 在白光和蓝色(450 纳米)、绿色(532 纳米)和红色(633 纳米)滤光片下拍摄的美国空军 1951 分辨率目标中第 6 组元素 3 中数字 "3 "的光学图像。来源:《科学进展》,doi: 10.1126/sciadv.adj9262

 

多级金属透镜与多级衍射透镜的主要区别在于最小特征的尺寸。

 

例如,最小特征尺寸可以根据特定尺寸设计,而全波模拟则需要考虑层间相互作用和散射。通过滤波和二值化步骤,研究人员将设计的结构变成了真实的构造。

 

研究小组对样品进行了拓扑优化,并使用Nanoscale GmbH光子专业3D打印系统将其成型,该系统利用振镜扫描聚焦光束将液态树脂交联成焦点处的纳米级固体体素。

 

科学家们对制造方法进行了优化,以获得接近正常设计的原型,并将其置于分辨率目标上,以三倍于焦距的距离评估了产品的成像质量。

 

工程金属透镜在消色差成像应用的白光下表现良好,显示出金属透镜无与伦比的消除色差能力。科学家们通过优化参数,展示了多层消色差金属透镜如何在宽带性能和拓扑优化方面表现出高聚焦效率,从而精确地实现了具有纳米级特征的金属透镜设计。

 

展望

 

潘承锋和研究团队通过这种方法开发出了多层金属透镜系统,并将每一层都视为消色差校正器和聚焦元件。研究结果表明,基于低折射率材料的堆叠元表面克服了单层平面光学系统的限制,在保持高数值孔径的同时,将金属透镜的性能扩展到宽带功能。

 

使用更高分辨率的三维打印方法和高折射率树脂将有助于增加多功能光学系统的功能,使其宽带响应范围超出可见光范围,包含近红外或中红外范围。

 

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