[发明专利]低对比度的基于氮化硅的超颖表面

说明书

本文公开了由多个柱形成在衬底上的超颖表面。该超颖表面被配置为在一个或多个波长处为光学活性的，并且在某些实施例中被配置为形成具有出乎意料的强聚焦能力的透镜。特别地，超颖表面由“低对比度”材料形成，包括诸如二氧化硅或氮化硅的CMOS兼容材料。因此，所公开的超颖表面通常是CMOS兼容的，并因此体现了超颖表面设计和制造中的新范例。

相关申请的交叉引用

本申请要求2015年9月8日提交的美国专利申请No.62/215,518和2016年5月26日提交的美国专利申请No.62/342,121的权益，其公开内容通过引用整体并入本文。

背景技术

传统的透射式宏观光学元件主要依靠折射来控制光的传播。折射很大程度上依赖于表面的精确曲率以及元件的空间范围，以实现逐渐的相位累积。这对光学传感器和元件的小型化产生了根本的限制，光学传感器和元件的小型化对于物联网、生物光子学和双光子吸收显微镜等各种应用是必需的。超颖表面(亚波长结构的二维准周期阵列)提出了一种小型化光学元件的方法。每个亚波长结构不是依靠通过光传播的逐渐的相位累积，而是在入射光的相位中产生离散的突然变化。这推动了基于超颖表面的光学元件的设计，包括透镜、聚焦镜、涡旋光束发生器、全息掩模和偏振光学器件。

迄今为止，已经展示了基于金属、氧化钛和非晶硅的高质量超颖表面光学元件。不幸的是，金属在光学频率下具有明显的损耗，氧化钛缺乏CMOS兼容性，并且非晶硅吸收可见光和近红外光谱(约400-900nm)的光。由于普遍存在的、低成本的硅探测器，该波长范围对于许多应用而言特别有用，这激励了基于高带隙材料的超颖表面的发展。然而，在上述波长范围内透明的诸如氮化硅和二氧化硅的高带隙CMOS兼容材料具有低折射率。由于这些材料的折射率低，常规的超颖表面设计原理在形成光学元件时不适用。

因此，为了获得高带隙CMOS兼容材料作为基于超颖表面的光学器件的元件，需要新的超颖表面设计和组成。

发明内容

提供本概述是为了以简化的形式介绍将在以下详细描述中进一步描述的一些概念。本概述不旨在确定所要求保护的主题的关键特征，也不旨在用作帮助确定所要求保护的主题的范围。

在一个方面中，提供了在第一波长处具有光学活性的低对比度超颖表面。在一个实施例中，低对比度超颖表面包括：

多个圆柱形柱，其由第一材料形成并以方形图案布置在衬底上，其中所述多个圆柱形柱由具有2.1或更小的第一折射率的材料形成；

所述多个圆柱形柱中的各个柱之间的间隙，所述间隙包括间质，所述间质具有比所述第一折射率小0.6-1.1的第二折射率；

其中所述多个圆柱形柱中的各个柱具有在第一波长的1/8至第一波长的2/3的范围内的直径；

其中所述多个圆柱形柱具有在第一波长的0.4倍到第一波长的1.0倍的范围内的周期；以及

其中所述多个圆柱形柱具有在第一波长的0.5倍到第一波长的1.0倍的范围内的厚度。

另一方面，提供了一种阿尔瓦雷斯透镜。在一个实施例中，阿尔瓦雷斯透镜包括：

具有如本文所述的第一低对比度超颖表面的第一透镜；以及

第二透镜；

其中所述第一透镜和所述第二透镜沿着光轴布置并且被配置为使得所述第一透镜和所述第二透镜之间沿着横轴相对于所述光轴的位移将产生焦点的非线性变化。

附图说明

结合附图参考以下详细描述，本发明的上述方面和许多伴随的优点将变得更容易理解，并变得更好理解，其中：