平面光学 Flat optics

2022-11-28 14:26:19 浏览:313

定义

通过扁平和薄器件实现的光学器件。

术语平面光学偶尔用于相对较薄且不像典型透镜那样具有曲面的光学元件。 例如光学窗口、滤光板、薄膜偏振片和衍射光学元件。菲涅尔透镜也可以被认为是获得准平面光学器件的一种方法。介电涂层自然是平坦而薄的。

然而,术语平面光学(或平面光子学)最近才被引入,用于更激进的发展[1,2]。 在这里,极薄和扁平的光学元件以光子超表面(或元光学)的形式实现,包含纳米级(亚波长)结构(通常具有高折射率对比度)以获得相当不寻常的光学特性。 纳米级结构不是像其他光子超材料那样在三维空间完成的,而只是在薄层中完成的。 例如,可以制造平面超镜头,在某些应用领域可以取代传统透镜,例如用于聚焦或准直光束或成像。 这种扁平光学器件既可以用于可见光谱范围,也可以用于红外线 - 原则上也适用于紫外线,但具有更强的技术挑战。 可以制造透射式和纯反射式设备。

与传统透镜或其他光学元件(主要基于折射光学元件)相比,其本质区别如下:

  • 光学功能是通过厚度极小的平坦层获得的,例如几微米(尽管它通常由厚度大得多的基板保持,例如数百微米)。
  • 可以实现更广泛的光学功能。 例如,可以获得合适的波长或偏振依赖性。 不仅可以实现透镜、偏振片和分束器等传统光学元件的功能,还可以实现这些元件组合的功能,或者传统光学元件根本无法实现的功能。 例如,可以获得负折射或非常不寻常的偏振特性,以及聚焦和偏振控制的组合。 即使是可调谐的光学功能,无需在很长的距离内机械移动零件即可实现,也是可行的。
  • 通过合适的超透镜设计可以很好地控制各种光学像差- 实际上类似于非球面光学,但可能会走得更远。 可以设计高质量的离轴透镜,具有较大数值孔径的透镜等。 在许多情况下,可以将完整的功能集成到单个光学相关表面,而不是进行包含多个光学元件的更复杂的设置。

极其紧凑的光学设备变得清晰可见。

  • 使用平面光学技术可以大大减少以足够精确的方式安装多个光学元件的挑战,特别是如果可以用更少的元件实现所需的整体功能,这些元件可以简单地安装在非常近的距离内。 这也可能导致极其紧凑的设备可以找到新的应用。 然而,可能仍然经常需要大量的自由空间部分,这使得解释的优势不那么重要。

新型光学元件是用微电子技术制造的。

  • 使用的制造技术完全不同。 通常,人们使用半导体芯片加工技术(例如基于硅的CMOS类型)和某些基于短波长辐射的高分辨率光刻,例如极紫外光;类似的技术也可以应用于各种介电材料,如熔融石英和二氧化钛。 它们基于晶圆,高度自动化,依赖于复杂且高度昂贵的制造机械。 在大规模生产中,例如智能手机相机,制造成本可能相对较低,至少对于仅覆盖小面积的元件而言。 这是因为许多光学元件可以在单个晶圆上一起制造,随后将被切块。 相比之下,传统的光学元件通常需要单独加工,但微光学领域有一些例外。

设计平面元光学与传统光学设计完全不同。

  • 对于这些截然不同的技术方法,光学设计的任务也大不相同。 虽然传统的光学设计,例如具有最小光学像差的成像物镜,通常极具挑战性,即使有强大的仿真和设计软件的支持,但与设计光子超表面相关的任务相当不同,也许同样具有挑战性,这些超表面在足够宽的光谱范围内提供所需的光学功能。 (本质上,消色差性能在某些领域(如成像)是必不可少的,并增加了大量的设计挑战,但在其他应用领域(例如涉及激光器)则不需要。 当然,对于工业大规模制造来说,设计的挑战变得相对不那么重要了。

平面光学的未来

由于一种全新的技术方法的有趣前景,光子超表面可以被视为一种颠覆性技术[2]。 一个重要的方面是,它将由迄今为止专注于微电子的公司实施,但现在可以为各种设备制造电子和光学组件,例如相机,光学传感器和照明器。 例如,成像设备可能包含成像光学器件、图像传感器和所需的电子设备,所有这些都在一个位置使用基本相同的技术制造,而传统技术则使用由不同参与者在不同位置制造的非常不同的组件。 传统的光学公司拥有完美的玻璃成型、切割、研磨、抛光等光学制造技术,如果光子超表面确实被证明是某些重要应用领域更实用和更具成本效益的方法,则可能会在某些领域失去大量业务。 如果发明新型光学器件,平面光学的新机会很可能出现;这些可以利用只有超表面才可行的特殊功能。

平板光学的前景目前很难判断。 虽然已经展示了非常有趣的操作原理和实现的光学功能,但目前尚不清楚新技术将在多大程度上颠覆传统光学。 这将取决于许多方面,例如:

  • 虽然柔性波前整形的基本思想已经发展得很好,但需要根据不同光谱区域和特定应用领域的要求,使用不同的材料来实现。半导体似乎最适合红外线,而介电材料对于大多数涉及较短波长光的应用可能是必需的。 全面开发合适的工艺可能具有挑战性且成本高昂,但如果大型技术参与者看到批量应用的足够明确的前景,则可能会大力推动。
  • 还需要进一步探索如何实现偏振控制的进一步功能,特别是如何在具有大规模制造潜力的设备中使用它们。
  • 应用的机会还取决于其他技术领域的发展。 例如,光纤通信被永久地推向越来越高的传输容量,而新型微型光学设备在这种情况下可能会有所帮助。 例如,这可能适用于使用多芯光纤或多模光纤的空间分复用。
  • 为了充分实现极其紧凑和易于精确安装的优势,不需要大量自由空间部分的光学设计。 然而,这些切片通常起着至关重要的作用,例如在成像中。 关于设备新工作原理的想法可能会导致这个方向的突破。
  • 虽然光学表面通常非常敏感,但对于高度结构化的光子超表面更是如此。 功能可能完全变质,例如,如果必要的空隙被冷凝水填充或受到污垢的影响。 含有纳米柱等的结构即使只是轻轻触摸也很容易被破坏。 在使用中需要适当保护此类表面,而不仅仅是在制造过程中非常小心地处理,可能会带来限制。
  • 由于平面光学技术可能只能在批量应用中发挥其优势,因此许多光学器件仅以小批量生产是一个问题。 在某种程度上,小批量是由大量的生产成本造成的,原则上,如果某些类型的光学设备能够以更便宜的方式制造,它们可能会得到更多的使用。 然而,对于许多可行的光学功能,基于它们的体积应用类型可以满足实际需求也不清楚。 这种新的批量应用可以在多大程度上得到开发还有待观察。

参考文献

[1] N. Yu and F. Capasso, “Flat optics with designer metasurfaces”, Nature Materials 13, 139 (2014), doi:10.1038/NMAT3839
[2] F. Capasso, “The future and promise of flat optics: a personal perspective”, Nanophotonics 7 (6) (2018), doi:10.1515/nanoph-2018-0004

基础光学

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