Бинарные дифракционные решётки для управления поляризацией и фокусировкой лазерного света [обзор]

Дифракционные оптические элементы, предназначенные для изменения состояния амплитуды и фазы проходящего (или отражённого) излучения, известны в оптике давно [1]. Однако лишь в недавнем прошлом внимание учёных переключилось на исследование элементов, преобразующих и поляризацию света. Для этого используются дифракционные решётки с разным наклоном штрихов и с периодом меньше длины волны. Такие решётки называются субволновыми. В этом случае не возникает дифракционных порядков, кроме одного нулевого порядка. Управление поляризацией происходит следующим образом. Локальное направление штрихов решётки задаёт избранное направление, относительно которого вектор поляризации падающего света можно разложить на ТЕ- и ТМ-составляющие: ТЕ-направлена вдоль штрихов, а ТМ- – поперёк. При прохождении света через прозрачную решётку из-за того, что эффективные показатели преломления для ТЕ- и ТМ-составляющих разные и они приобретают разный набег фаз, вектор поляризации на выходе из решётки поворачивается на некоторый угол. Если задержка по фазе равна четверти длины волны, то решётка работает как кристаллическая четвертьволновая пластинка и преобразует линейную поляризацию в круговую. А если задержка по фазе между ТЕ- и ТМ-составляющими на выходе из решётки равна половине длины волны, то такая решётка работает как полуволновая пластинка. Для получения задержки фазы в полдлины волны света видимого диапазона в прозрачном материале с невысоким показателем преломления требуется создать рельеф с глубиной порядка длины волны. Для суб-

В последнее время исследуются также оптические элементы, которые одновременно с поляризацией управляют и фазой света. Это компоненты фотоники с метаповерхностью. Компоненты с метаповерхностью для фокусировки света называются металинзами. Обычно металинза рассчитывается на основе фазы Панхаратнама–Берри и работает только при падении на неё света с круговой поляризацией. Это является недостатком, так как для формирования круговой поляризации нужен дополнительный элемент – четвертьволновая пластинка. В этой работе предлагается другой подход к управлению фазой света. Например, если требуется рассчитать линзу, то рассчитываются радиусы колец зонной пластинки Френеля с заданным фокусным расстоянием и для заданной длины волны. Далее каждая зона линзы заполняется бинарными субволновыми решётками, каждая из которых поворачивает электрический вектор нормально падающего на неё линейно-поляризованного лазерного света на заданный угол так, чтобы свет на выходе имел радиальную поляризацию. Период, глубина рельефа решётки и фактор заполнения подбираются оптимальным образом с помощью моделирования и из условия примерного равенства амплитуды света, прошедшего через каждую локальную решётку. Фазовый сдвиг на полдлины волны между соседними зонами линзы обеспечивается тем, что две локальные решётки, примыкающие к границе зоны, должны поворачивать вектор поляризации на углы, разность которых равна π.

Данный обзор посвящён субволновым дифракционным решёткам, предназначенным для изменения состояния поляризации проходящего через них излучения, и металинзам. Детально рассмотрены пропускающие и отражающие субволновые решётки, работающие как аналоги четвертьволновых и полуволновых пластинок. Рассмотрено применение таких решёток для преобразования лазерного света с линейной поляризацией в пучки с радиальной и азимутальной поляризацией. В последней части рассмотрены примеры металинз для острой фокусировки лазерного света, состоящие из набора субволновых решёток.

Применение субволновых решёток для изменения поляризации света

Самым простым способом преобразования поляризации является использование субволновых решёток. Показатели преломления света в такой решётке различны для ТЕ- и ТМ-поляризованной волны [2]:

nf = 7 dn; +(1 - d) nm, n™ = 1/J (d / n2+(i—d)/nm), где d – фактор заполнения решётки (отношение ширины ступеньки к периоду решётки), nr – показатель преломления материала ступеньки, nm – показатель преломления среды.

Впервые возможность преобразования поляризации с помощью субволновых решёток была продемонстрирована в работе [3]. В силу наличия разности фаз в ТЕ- и ТМ-поляризованных волнах, прошедших через субволновый рельеф, с помощью последнего могут быть реализованы аналоги полуволновых и четвертьволновых пластинок и, как следствие, может осуществляться преобразование поляризации падающего на пластинку излучения. Технологически изготовить четвертьволновую пластинку проще, поэтому сначала был реализован именно такой тип поляризаторов. Впервые поворот поляризации света с помощью субволновой решётки – аналога четвертьволновой пластинки был экспериментально продемонстрирован в работах [4, 5], где осуществлялось преобразование света круговой поляризации с длиной волны 10,6 мкм в азимутально-поляризованный пучок.

Отметим здесь, что часть работ, представленных в этой статье, посвящена применению субволновых решёток для получения цилиндрических векторных пучков. В таких пучках направление поляризации имеет радиальную симметрию [6]. Пучки с радиальной симметрией находят свое применение для острой фокусировки лазерного излучения [7] и для оптической микромани- пуляции [8]. Азимутально-поляризованный свет также используется для острой фокусировки лазерного излучения [9]. Более того, азимутальная поляризация предпочтительнее для острой фокусировки света, чем радиальная: субволновое фокусное пятно света с радиальной поляризацией состоит в основном из продольной компоненты электрического поля (при этом свет от этого фокусного пятна почти не идёт к наблюдателю вдоль оптической оси), а фокусное пятно света с азимутальной поляризацией состоит в основном из поперечной компоненты, которая доступна наблюдателю на оптической оси. По этим причинам поперечно поляризованные фокусные пятна широко используются в таких областях, как оптическая когерентная томография [10], оптические системы хранения данных [11] и детектирование отдельных молекул [12].

В работе [13] концентрическая металлическая решётка используется для преобразования лазерного излучения с длиной волны 633 нм круговой поляризации в радиально-поляризованный свет. Для изготовления на поверхность плавленого кварца ( n = 1,457) наносился сначала слой алюминия толщиной 200 нм, а затем слой SiO 2 толщиной 40 нм. Показатель преломления алюминия, измеренный с помощью эллипсометра, оказался равным n = 1,9907 + 8,518 i (т. е. отличным от справочного значения n = 1,373+ 7,618 i ). Решётка из концентрических колец (аксикон) с периодом 200 нм и фактором заполнения 0,4 записывалась с помощью электронно-лучевой литографии на слой резиста, а затем переносилась на слой SiO 2 с помощью реактивного ионного травления в среде фтора, а на слой алюминия – с помощью реактивного ионного травления в хлоре. Однако полученный пучок в [13] нельзя назвать в строгом смысле радиально-поляризованным – у такого пучка значения фазы в точках диаметрально противоположных совпадают, в то время как у «настоящего» радиально-поляризованного пучка колебания напряженности электрического поля в этих точках происходят в противофазе. Для исправления ситуации в [14, 15] был предложен элемент, представляющий собой соединение концентрической металлической решётки с периодом 200 нм, подобной [14], с «вилочковой» голограммой с периодом 1,2 мкм. Элемент был изготовлен в плёнке золота толщиной 150 нм на стеклянной подложке, а его работа была проверена на длинах волн 633 нм и 850 нм. Технология, допускающая промышленное производство четвертьволновых пластинок на основе субволновых решёток, описана в работе [16] – решётки с периодом 360 нм и аспектным соотношением 5,2 для преобразования света с длиной волны 633 нм изготавливались с помощью UV-moulding процесса. В работе [17] рассмотрены субволновые решётки, преобразующие линейно-поляризованный свет в свет с круговой поляризацией для длин волн 488, 532 и 632,8 нм. Такая решётка может быть востребована в создании 3D-дисплеев [18].

Реализация полуволновой пластинки требует большего аспектного отношения отдельных элементов решётки, поэтому изготовить её сложнее. Высота рельефа такой решётки должна быть в два раза выше, чем у четвертьволновой пластинки. В [19] впервые была экспериментально продемонстрирована работа субволновой решётки – аналога полуволновой пластинки. Фактически было рассмотрено три решётки-поляризатора, отличающиеся дизайном. Все поляризаторы были изготовлены в слое GaAs и предназначались для длины волны 10,6 мкм (длина волны излучения CO2-лазера). Отметим еще, что в работе [19] период изготовленной решётки не был постоянным, а изменялся от dmin = 2 мкм до dmax = 3,05 мкм. В работе [20] была рассмотрена субволновая решётка, также являющаяся аналогом полуволновой пластинки, но уже для видимого диапазона. Такая решётка преобразовывала свет линейной поляризации с длиной волны 1064 нм в радиально-поляризованный пучок. Шаблон решётки был записан с помощью электронно-лучевой литографии в резисте ZEP 520A, после чего был перенесён на подложку из GaAs (показатель преломления n = 3,478) с помощью ионного травления. В отличие от работы [19] период изготовленной решётки был постоянным и равным 240 нм. Интерферометр на основе решётки [20] был рассмотрен в работе [21]. В описанной выше работе [20] решётка-поляризатор была изготовлена в подложке с высоким показателем преломления. В работе [22] был предложен другой подход – решётка из материала с высоким показателем преломления была изготовлена на подложке с низким показателем преломления. Такой подход имеет ряд преимуществ: например, уменьшается аспектное отношение элементов рельефа, а также обеспечивается 100%-й коэффициент пропускания для одной из мод.

В работе [23] описано производство поляризатора по технологии кремний на диэлектрике, преобразующего линейно-поляризованный свет в радиально-азимутально-поляризованный для длин волн с 1030 нм до 1064 нм. Поляризатор из гидрогенизированного аморфного кремния (показатель преломления n = 3,4) изготавливался на подложке из материала с низким показателем преломления (плавленый кварц n = 1,45). В работе [24, 25] похожим образом был реализован четырёхсекторный пропускающий поляризатор с фазовым сдвигом. Микрополяризатор на рис. 1 был изготовлен по технологии электронной литографии. На поверхность аморфного кремния (130 нм) (а-Si) на прозрачной пи-рексной подложке (показатель преломления 1,47, нанесли 320 нм резиста (ПММА), который закрепили при температуре 180°С. Толщина резиста (320 нм) была подобрана оптимальным образом. Во избежание формирования заряда на поверхности образца на него было распылено 15 нм золота. Электронным лучом с напряжением 30 кВ была написана картина четырёхсекторной решётки-поляризатора на поверхности резиста. Для проявления образца использовался раствор воды и изопропанола в соотношении 3:7. При этом слой золота был полностью смыт с поверхности ПММА. Трансформирование шаблона решётки-поляризатора с резиста на аморфный кремний было осуществлено с помощью реактивного ионного травления с использованием газов CHF3 и SF6 (аналогично технологии, описанной в [26]). Толщина резиста была подобрана таким образом, чтобы он смог защитить части картины во время травления 130 нм аморфного кремния. Аспектное отношение скоростей травления материала и маски было найдено 1:2,5.

2        4        6        8

a) 0

Рис. 1. Изображения пропускающего поляризатора, полученные с помощью сканирующего зондового микроскопа (а) и сканирующего электронного микроскопа (SEM) (б)

Четырёхсекторный пропускающий поляризатор преобразует падающее на него лазерное излучение с длиной волны: X = 633 нм в азимутально-поляризованное с фазовым сдвигом так, что диаметрально противоположенные точки в сечении пучка имеют одинаковую поляризацию. В [24] прошедший поляризатор лазерный пучок фокусировался кварцевой бинарной зонной пластинкой (ЗП) (рис. 2 а ) с фокусным расстоянием, равным длине волны, в субволновое фокусное пятно. Измерения, выполненные с помощью сканирующего ближнепольного оптического микроскопа (СБОМ) [27], показали, что на расстоянии 200–250 нм от поверхности ЗП формируется фокусное пятно с размерами FWHM = 0,46^ и FWHM = 0,57^ (рис. 2 б) .

Другие работы по преобразованию поляризации излучения с помощью субволновых решёток – работы [28–30]. В работе [28] решётка из плавленого кварца с периодом 400 нм была покрыта слоем TiO 2 для использования в качестве полуволновой пластинки. Решётка работала для длины волны 628 нм, а коэффициент пропускания составлял 90%. В работе [30] исследовалась субволновая решётка с периодом 410 нм, профиль которой имел наклон к нормали поверхности.

Решётка была изготовлена следующим образом: на подложку из плавленого кварца сперва наносился слой TiO 2 толщиной 640 нм, на него наносилась решётка из хрома, которая использовалась в дальнейшем в качестве маски. При проведении ионного травления образец закреплялся таким образом, чтобы обеспечить наклон протравленной канавки примерно 30 градусов к нормали поверхности. После травления остатки хрома удалялись. Несмотря на перетрав при изготовлении, решётка имела высокий коэффициент пропускания – 95,5 % и обеспечивала разность фаз между ТЕ- и ТМ-волной 177 градусов (т. е. очень близкий к полуволновой пластинке).

б)

Рис. 2. SEM-изображение ЗП [27] (а) и 2D-распределение интенсивности, полученное со СБОМ Интегра Спектра (б)

В работе [31] исследуется ахроматическая волновая пластинка для ИК-диапазона, изготовленная по технологии импринтинга и создающая разность фаз 30 градусов для проходящего излучения в диапазоне длин волн 8,5– 10,5 мкм. Исследуемая решётка имела период 3 мкм, глубину 1,63 мкм и фактор заполнения 0,7. На первом этапе изготовления создавался шаблон с периодом 3 мкм и фактором заполнения 0,5. На подложку из стеклоуглерода был нанесен слой WSi и фоторезиста. Затем фоторезист экспонировался с помощью He-Cd лазера (длина волны 442 нм). После удаления проэкспонированного фоторезиста слой WSi подвергался реактивному ионному травлению в среде SF 6 , а стеклоуглерод – в среде O 2 . Время экспонирования подбиралось таким образом, чтобы достичь глубины рельефа 1,94 мкм. Изготовленный шаблон использовался для выпрессовывания исследуемой решётки из халькогенидного стекла. Такое стекло обладает показателем преломления 2,7 (для исследуемого диапазона длин волн) и состоит в основном из серы (Sb-

Ge-Sn-S система). Температура, давление и время вы-прессовывания составляли 253 °C, 3,8 Па и 90 с соответственно. В другой работе этих же авторов [32] также по технологии импринтинга изготавливается поляризатор для длин волн 5–9 мкм. Изготовленная решётка обладала глубиной рельефа 260 нм, шириной канавки 500 нм и шириной столбика рельефа 290 нм. Также по технологии импринтинга создавалась решётка в работе [33]. Однако работала она уже в видимом диапазоне . Период решётки был равен 300 нм, а изготовлена она была в стекле Bi 2 O 3 -GeO 2 -B 2 O 3 . Для длины волны 400 нм такая решётка реализовывала разность фаз 0,46π. Эффективный метод расчёта волновых пластинок предложен в работе [34].

Отражающие пластинки

Требование высокого аспектного отношения при изготовлении полуволновой пластинки можно обойти, если использовать не пропускающую решётку, а отражающую. Высота рельефа в таком случае уменьшается в два раза. В работах [27, 35] был предложен отражающий поляризатор, предназначенный для преобразования линейно-поляризованного света в радиально-поляризованный. Микрополяризатор представлял собой субволновую решётку, разбитую на че- тыре сектора, в каждом из которых угол между направлением рельефа и поляризацией падающего излучения был различен. В зависимости от сектора поляризация поворачивалась на угол 45, -45, 135 или -135 градусов (рис. 3).

а)

Рис. 3. Шаблон четырёхсекторного микрополяризатора с периодом 460 нм (для длины волны 633 нм) (а) и интенсивность |E|2 отражённого от ДОЭ света (негатив) (б). Стрелками показано направление

б)

поляризации

На рис. 4 показаны результаты моделирования отражения света с линейной поляризацией от субволновой решётки с параметрами, как на рис. 3. Моделирование проводилось на основе решения уравнений Максвелла FDTD-методом c помощью программы FullWAVE (RSoft).

На рис. 4 показана зависимость интенсивности отражённого света | E |² от угла α падающего поля и угла поляризации θ от угла падающего поля α к линиям решётки. Из рис. 4 б видно, что интенсивность отраженного света изменяется в широком диапазоне в зависимости от угла наклона рельефа α. Для формирования отражённого поля с максимально равномерным распределением интенсивности следует использовать только четыре сектора с различно ориентированными решётками.

Рис. 4. Зависимость угла поляризации θ от угла падающего поля α к линиям решётки (a) и зависимость интенсивности отражённого света |E|2 от угла α падающего поля (б)

Это позволит избежать областей с максимальной отраженной интенсивностью (больше 0,7 относительных единиц на рис. 4 б ). В четырёхсекторном поляризаторе разность углов θ между соседними секторами должна быть равна 90°. С учетом этого и рис. 3 а , б нами были выбраны углы наклона решёток a = ±40° и ±70° как наиболее подходящие. В таком случае углы поворота поляризации составят -135°, -45°, 45° и 135°. При моделировании период всех четырёх секторов был равен 0,4 мкм для всех углов α. Теперь для получения равномерного распределения интенсивности отражённого света для углов α = ±40° и ±70° период решёток также должен быть оптимизирован. Оптимальные периоды решёток были найдены равными 0,4 мкм для секторов с углом α = ±40° и 0,46 мкм для секторов с углом α = ± 70°. До оптимизации отношение отраженной интенсивности к падающей на решётку для углов α = ±40° и α = ±70° было равно 58 % и 43,3 % соответственно (рис. 4 б ). После оптимизации коэффициент отражения для угла α = ±70° оказался равным 51 % [36, 37].

Отражающий микрополяризатор (рис. 5а) для преобразования линейно-поляризованного света в радиально-поляризованный [27, 35] был изготовлен по технологии электронной литографии. На поверхность стеклянной подложки был нанесён слой золота толщиной 160–180 нм. Далее слой золота был покрыт слоем резиста, на который с помощью электронного луча (напряжение на трубке 30 кВ) проецировалась картина четырёхсекторной решётки поляризатора. Затем выполнялась операция проявления, то есть образец травился в ксилене, который растворяет участки резиста, экспонированные пучком электронов. Далее с помощью реактивного ионного травления шаблон решётки- поляризатора трансформировался в слой золота, то есть травилась плёнка золота в тех местах, где не было резиста. При этом с помощью аргоновой плазмы частицы золота распылялись из участков, не защищённых резистом. На заключительном этапе остатки резиста удалялись с использованием кислородной плазмы, в результате чего шаблон поляризатора был как бы «выгравирован» на золоте. Время реактивного ионного травления было оптимизировано таким образом, чтобы достичь глубины травления золота примерно 110 нм. В работах [36, 37] по такой же технологии был реализован тоже отражающий поляризатор, но использовался он уже для получения азимутально-поляризованного пучка (рис. 5б).

На рис. 6а показано изображение четырёхзонного элемента (рис. 5а), когда перед регистрирующей камерой расположен поляризатор, ось которого направлена вертикально (падающий свет имел линейную поляризацию, направленную горизонтально). При этом светлыми оказываются все четыре зоны элемента. Причём коэффициент отражения от двух правых зон больше (на 10%), чем от двух левых. Достичь одинакового коэффициента отражения для всех четырёх секторов можно, поменяв периоды и факторы заполнения решёток в отдельных секторах. На рис . 6 б показано изображение поверхности микрополяризатора, когда ось поляризатора на выходе из оптической системы повёрнута на 45 градусов к горизонтальной оси. На рис . 6 в показано то же, что и на рис . 6 б , но ось поляризатора на выходе из оптической системы повёрнута на -45º по отношению к горизонтальной оси. На рис. 6 б и 6 в видно, что из четырёх зон светлыми оказываются только две квадратные зоны элемента, расположенные по диагонали, параллельной направлению оси выходного поляризатора. На рис . 7 показано изображение микрополяризатора (рис. 5 б ) при наличии перед регистрирующей CCD-камерой поляризатора, ориентированного под углом 0° (а), -45° (б) и 45° (в) по отношению к направлению поляризации света, падающего на элемент. Из рис. 7 видно, что отражённый от поляризатора (рис. 5 б ) свет имеет азимутальную поляризацию.

Далее отражённый пучок (рис . 6) использовался для острой фокусировки лазерного излучения с помощью бинарной микролинзы (рис . 2 а ). На рис. 8 показан пример распределения интенсивности, полученного со СБОМ, с минимальным размером фокусного пятна FWHM max = (0,38 ±0,02)^.

Отражающая волновая пластинка с периодом 400 нм, фактором заполнения 0,5 и глубиной рельефа 280 нм исследуется в работах [38, 39]. Она сравнивалась с пропускающей решёткой с таким же периодом и фактором заполнения, но в два раза большей глубиной рельефа (450 нм). В отличие от работ [35-37] рельеф обеих решёток в [38, 39] был изготовлен в слое фоторезиста, отражение же достигалось благодаря использованию кремниевой подложки (в пропускающей решётке подложка была из стекла). Численно и экспериментально было показано, что обе решётки обеспечивают одинаковую задержку фазы.

Рис. 5. SEM-изображение отражающего радиального (а) и азимутального поляризаторов (б)

Рис. 6. Изображение (негатив) четырёхзонного элемента (рис. 5а) в лазерном свете, когда ось поляризатора на выходе (перед CCD-камерой) направлена под углом 0°(а), 45°(б), –45°(в) к направлению поляризации падающего на пластинку излучения

б)

в)

Рис. 7. Изображение четырёхзонного микрополяризатора (рис. 5б) в лазерном свете. Перед камерой помещён выходной поляризатор (анализатор), повёрнутый на угол 0° (а), –45° (б) и 45° (в) к направлению поляризации падающего на пластинку излучения

Рис. 8. Пример распределения интенсивности, полученного со СБОМ при фокусировке света, отражённого от микрополяризатора (рис. 5а) и сфокусированного микролинзой (рис. 2а)

Решётки-поляризаторы Для терагерцевого Диапазона

Относительно большое количество работ, в которых субволновые решётки применяются для создания волновых пластинок, посвящено исследова- нию излучения терагерцового диапазона. Например, в [40, 41] четвертьволновая пластинка для частот 2,6 ТГц, 3,2 ТГц и 3,8 ТГц представляла собой решётку с периодом 60 мкм и глубиной рельефа 330 мкм, 280 мкм и 230 мкм соответственно. А в работе [42] рассмотрена решётка с периодом 20 мкм и фактором заполнения 0,5 для частот 1,5 ТГц и 2,8 ТГц (глубина рельефа 46 и 30 мкм соответственно). Решётка была изготовлена из кремния, а антиотражающее покрытие SU8 было использовано для улучшения коэффициента пропускания решётки до 21 %. В работе [43] четвертьволновая пластинка реализована уже для частоты 0,51 ТГц. Решётка [43] имела период 30 мкм и глубину 156 мкм. Решётка с периодом 10 мкм и глубиной 6 мкм используется в [44] в качестве четвертьволновой пластинки для излучения с частотой 10 ТГц. В работе [45] рассмотрена четвертьволновая пластинка для низких частот терагерцевого диапазона – от 200 ГГц до 330 ГГц. Ахроматическая четвертьволновая пластинка для диапазона частот от 0,47 до 0,8 ТГц была рассмотрена в работе [46]. Эксперимент показал, что погрешность изготовления пластинки при освещении ее светом с частотой 0,5 ТГц приводила к отклонениям задержки фазы в пределах 3 %. Также ахроматическая, но уже отражающая четвертьволновая пластинка исследуется в [47] для частот от 1,8 до 2,8 ТГц.

Субволновые решётки, работающие как поглощающие поляризаторы

В приведенных выше параграфах субволновые решётки работали как волновые пластинки – преобразовывали поляризацию проходящего через них излучения в силу разности эффективных показателей преломления решётки для ТЕ- и ТМ-поляризованных волн. Это не единственный способ преобразования поляризации с помощью субволновых решёток. В работе [48] было показано, что в такой решётке ТМ-поляризованная волна поглощается сильнее ТЕ-поляризованной. Используя этот эффект, можно создавать аналоги «классических поляризаторов».

Субволновые микрополяризаторы для видимого диапазона применяются в [49] для получения поляризационных изображений. Массив решёток, различающихся углом наклона рельефа (0, 45, 90 и 135 градусов), был изготовлен на стеклянной подложке в плёнке алюминия по технологии электронной литографии и ионного травления. Изготовленные решётки имели прямоугольный профиль с периодом 140 нм, фактором заполнения 0,5 и глубиной рельефа 100 нм. Размер отдельной решётки был равен 7,4×7,4 мкм, т.е. совпадал с размером ячейки CCD. Изготовленный массив решёток совмещался с CCD-камерой и применялся для получения поляризационных изображений в режиме реального времени.

Металинзы на основе субволновых решёток

В последние годы в оптике изучаются плоские бинарные компоненты микрооптики толщиной меньше длины волны, состоящие из набора субволновых элементов (столбиков, щелей, отрезков, решёток) из металла или полупроводника, которые одновременно могут менять поляризацию, амплитуду и фазу падающего лазерного излучения. Такие компоненты фотоники называются компонентами с метаповерхностью (КМП). Обзор по ним можно найти в [50–52].

В данной работе мы не ставим целью провести обзор КМП, существующих сегодня, так как здесь рассматривается узкий класс КМП, основанных на субволновых решётках. Тем не менее, ниже приведены ссылки, которые позволят читателю оценить прогресс и направление текущих исследований в области метаповерхностей.

В частности, в ряде работ [53–59] рассматриваются метаповерхности, основанные на графене. В работах [53, 54] метаповерхности, позволяющие управлять фазой и амплитудой отражённого света, реализованы для управления инфракрасным излучением. При этом в [54] показано, что взаимодействие света с тонким слоем графена можно усиливать с помощью субволнового оптического резонатора. В [56] реализована гипербо- лическая метаповерхность на основе графеновых полосок для терагерцевого излучения и ближнего ИК-диапазона. В [57] изучается возбуждение плазмонов в массиве графеновых микролент. Возбуждение плазмонов в графеновом тейпере наблюдалось в [60] методом сканирующей ближнепольной оптической микроскопии. В работе [61] исследуется распространение плазмонов в слое графена, над которым расположен ACM-зонд, освещаемый светом с длиной волны 11,2 мкм. Фильтры на основе слоев графена и диэлектрика рассмотрены в [62].

Интересны исследования метаповерхностей, по-разному реагирующих на различную поляризацию падающего на них света. Так, например, в [63, 64] метаповерхность используется для возбуждения поверхностных плазмонов, распространяющихся в различных направлениях в зависимости от направления круговой поляризации возбуждающего их света. А в работе [65] в зависимости от направления вращения круговой поляризации слой метаповерхности выступает в качестве собирающей или же рассеивающей линзы.

Градиентная метаповерхность, рассмотренная в [66], способна преобразовывать распространяющиеся волны в поверхностные с эффективностью, близкой к 100 %. А в [67] градиентная метаповерхность используется в качестве линзы, работающей в диапазоне длин волн от 750 нм до 950 нм.

В работе [68] одномерная металлическая решётка (простейшая метаповерхность) используется для управления поверхностными плазмонами. Численно показано, что одна и та же решётка с периодом 120 нм, шириной ступеньки 60 нм и высотой 80 нм, освещаемая светом с различной длиной волны, формирует плазмоны, по-разному распространяющиеся: можно наблюдать явление негативной рефракции, обычной дифракции и нерасходящейся волны. Метаповерхности, основанные на V-образных антеннах, описаны в работах [69, 70]. В [69] рассмотрена двухслойная метаповерхность, работающая на пропускание в видимом диапазоне длин волн. Исследуемая метаповерхность состояла из слоя V-образных антенн из золота и золотой пленки с V-образными отверстиями, дополняющими антенны в соответствии с принципом Бабинэ. Характерный размер антенны был равен 150 нм, а два золотых слоя были разделены слоем водород-силсесквиоксана толщиной 100 нм.

Ультратонкая голограмма (30 нм), основанная на использовании метаповерхности, рассмотрена в [71]. Голограмма на основе метаповерхности, рассмотренная в [72], создавала изображение размером 330×232 мкм. Отдельный пиксель голограммы представлял собой металлический наностолбик, ориентированный в пространстве. Спиновый эффект Холла для фотонов, наблюдаемый в слое метаповерхности, рассмотрен в работе [73].

Метаповерхность, изменяющая свои оптические свойства под воздействием подведенного к ней электрического напряжения, описывается в [74]. В зависимости от напряжения удается изменять поглощение в слое метаповерхности на 30%. Метапов ерхности являются частным случаем метаматериалов. Эволюция от метаматериала к метаповерхности и далее к отдельным метаустройствам описана в [75].

С помощью КМП можно сформировать оптические вихри [76]; пилообразные решётки, отражающие 80% света в заданный угол в широком диапазоне в ближней ИК-области спектра [77]; сфокусировать свет в кольцо [78] или в поперечный отрезок [79]. Особенно интересным является применение КМП в качестве супертонких микролинз [80–85]. Причем линзы в [80–85] были реализованы для ИК-диапазона, и только линза в [85] фокусировала свет видимого диапазона с длиной волны 550 нм. Линзы на основе металлических наноантенн [80, 83, 84] имеют меньшую эффективность, чем линзы из аморфного кремния [81, 82, 85]. Наилучшими характеристиками обладает металинза из кремниевых столбиков диаметром 200 нм и высотой около 1 мкм [81]. С помощью такой линзы получено минимальное круглое фокусное пятно с диаметром 0,57λ с эффективностью около 40%. Поляризация падающего света линейная. Недостатками линзы из [81] является высокое аспектное отношение (5:1), которое требуется обеспечить для качественного изготовления кремниевых столбиков. В [85] была изготовлена бинарная микролинза в плёнке аморфного кремния с фокусным расстоянием 100 мкм (числовая апертура NA=0,43) для длины волны 550 нм. Падающий на линзу лазерный свет с правой круговой поляризацией преобразовывался в пучок с левой круговой поляризацией и фокусировался в круглое фокусное пятно с диаметром 670 нм. В [85] линза рассчитывалась на основе фазы Панхаратнама–Берри и работала только при падении на неё света с круговой поляризацией. Это является недостатком метода, так как для формирования круговой поляризации нужен дополнительный элемент – четвертьволновая пластинка. Кроме того, у металинзы из [85] невысокая числовая апертура. В работе [86] предложен другой метод расчёта бинарных супертонких металинз для субволновой фокусировки линейно-поляризованного лазерного света в круглое пятно с диаметром меньше дифракционного предела. Метод заключается в том, что в каждой кольцевой зоне бинарной зонной пластинки Френеля помещаются бинарные субволновые дифракционные решётки (достаточно четырех), преобразующие линейную поляризацию падающего света в радиальную. Предложенным методом рассчитана, а затем изготовлена и исследована тонкая металинза в плёнке аморфного кремния диаметром 30 мкм и фокусным расстоянием, равным длине волны 633 нм, с периодом субволновой структуры 220 нм и глубиной рельефа 110 нм. Линза одновременно управляет поляризацией и фазой падающего на неё лазерного света. Она преобразует линейную поляризацию в радиальную и осуществляет острую фокусировку света. Такая металинза была изготовлена по технологии электронной литографии и ионного травления.

Кратко рассмотрим этапы расчёта и моделирования металинзы из [86]. Известно [87, 88], что острая фоку- сировка лазерного света с линейной поляризацией с помощью компонент микрооптики (бинарного аксикона [87] или бинарной зонной пластинки [88]) приводит к формированию эллиптического субволнового фокусного пятна. Например, если бинарную ЗП из стекла (показатель преломления n = 1,5) c фокусным расстоянием (f = 200 нм), меньшим длины волны (X=532 нм) и глубиной рельефа (h =0,9 мкм), осветить Гауссовым лазерным пучком c линейной поляризацией и радиусом перетяжки w =4λ, то за пластинкой на расстоянии z =200 нм сформируется эллиптическое (в виде «гантели») фокусное пятно, вытянутое вдоль направления поляризации. Размеры этого фокусного пятна по полуспаду интенсивности, рассчитанные с помощью FDTD-метода и программы FullWAVE, равны FWHMx = 0,85λ и FWHMy=0,37λ (эллиптичность 2,3:1) [61]. Известно также, что преобразовав лазерный пучок с линейной поляризацией в пучок с радиальной поляризацией, можно получить круглое фокусное субволновое пятно [7]. Например, в [35] рассчитан четырёхзонный микрополяризатор из субволновых решёток в плёнке золота, который преобразует падающий на его поверхность лазерный свет с линейной поляризацией в радиально поляризованный свет. Оказывается, четырех зон достаточно, чтобы сформировать световое поле с почти радиальной поляризацией [7, 35] и получить с помощью такого светового поля острую субволновую фокусировку света [27, 35]. Заметим, что четырёхзонный пропускающий микрополяризатор может быть реализован в плёнке аморфного кремния на прозрачной подложке [25]. При этом период решёток был равен T = 230 нм и глубина рельефа h = 130 нм (λ =633 нм). При расчёте показатель преломления кремния выбирался равным n =3,87+i 0,016. Однако фокусировка света с помощью двух разных элементов (отражающего или пропускающего преобразователя поляризации и зонной пластинки) приводит к необходимости высокоточной юстировки оптической схемы и потерям энергии при отражении от дополнительных поверхностей. Поэтому актуальным является расчёт компонента микрооптики, который бы одновременно и преобразовывал поляризацию лазерного света, и осуществлял острую фокусировку. Такой бинарный субволновый оптический элемент можно создать, объединяя вместе два уже рассмотренных элемента. На рис. 9 показана картина бинарного рельефа металинзы, которая объединяет в себе свойства и микрополяризатора, и зонной пластинки с высокой числовой апертурой.

Рис. 9. Схема штрихов пропускающей бинарной металинзы, одновременно преобразующей линейную поляризацию в радиальную и фокусирующей свет

Параметры металинзы, показанной на рис. 9, следующие: длина волны λ = 633 нм, фокусное расстояние f = 633 нм (NA = 1), высота рельефа h = 0,24 мкм, размер отсчета – 22 нм, период решёток – 220 нм, канавка у дифракционной решётки – 110 нм и ступенька – шириной 110 нм. Уточнённый (измеренный на эллипсометре) показатель преломления аморфного кремния n = 4,35+ i 0,486.

Металинза с рельефом, показанным на рис. 9, была изготовлена по технологии электронной литографии. На плёнку аморфного кремния (130 нм) (а-Si), напылённую на прозрачную пирексную подложку (показатель преломления 1,47), был нанесен слой 320 нм резиста ПММА, который был закреплён при температуре 180 °С. Величина толщины резиста (320 нм) была подобрана оптимальным образом. Во избежание формирования заряда на поверхности образца на него было распылено 15 нм золота. Электронным лучом с напряжением 30 кВ бинарный шаблон (рис. 9) был перенесен на поверхность резиста. Для проявления об- разца использовался раствор воды и изопропанола в соотношении 3:7. При этом процессе слой золота был полностью смыт с поверхности ПММА.

Рис. 10. Изображение в электронном микроскопе увеличенного центрального фрагмента 3×2 мкм металинзы в плёнке аморфного кремния

Трансформирование шаблона с резиста на аморфный кремний было осуществлено с помощью реактивного ионного травления с использованием газов CHF 3 и SF 6 . Толщина резиста была подобрана таким образом, чтобы он смог защитить части рельефа во время травления 130 нм аморфного кремния. Аспектное отношение скоростей травления материала и маски было найдено 1:2,5. На рис. 10 показано изображение увеличенной центральной части металинзы, полученное с помощью электронного микроскопа.

Экспериментальное исследование фокусировки света исследуемой металинзой осуществлялось средствами СБОМ. В эксперименте свет от гелий-неонового лазера (длина волны – 633 нм, мощность – 50 мВт) попадал через волоконно-оптическую транспортную систему на исследуемую металинзу и фокусировался в субволновое пятно. Полная ширина пучка, падающего на металинзу, составляла 30 мкм. Распределение интенсивности в фокусе исследовалось с помощью полого металлизированного пирамидального кантилевера С с отверстием при вершине 100 нм. Свет, прошедший через отверстие в кантилевере, улавливался 100-кратным объективом O1, после чего попадал через спектрометр S (Solar TII, Nanofinder 30) на CCD-камеру (Andor, DV401-BV). Экспериментально измеренное фокусное расстояние линзы было равно z =0,6 мкм. На рис. 11 показано распределение интенсивности в фокусе, зафиксированное на СБОМ. Максимальная интенсивность в фокусе в 11 раз превышала максимальную интенсивность падающего на линзу пучка. Экспериментально измеренные значения ширины пятна были равны FWHMx = 0,55λ, FWHMy=0,49λ. Эти значения отличаются всего на 8% от расчётных значений (FWHMx = 0,52λ, FWHMy = 0,46λ), полученных с учётом технологических погрешностей изготовления металинзы.

0         0,5      1,0       1,5

Рис. 11. Распределение интенсивности на расстоянии z = 0,6 мкм от металинзы

До сих пор во всех примерах использовались субволновые решётки только четырёх направлений, которых достаточно, чтобы формировать световые поля с радиальной и азимутальной поляризацией. Но понятно, что чем больше будет таких направлений у штрихов решётки, тем точнее будет формироваться заданное световое поле. Приведем результат моделирования расчёта металинзы, у которой использовано шестнадцать разных направлений штрихов субволновых решёток. На рис . 12 а показана металинза, аналогичная показанной на рис. 9, но вместо четырёх секторов имеющая шестнадцать секторов. Параметры моделирования были следующие: длина волны ^ = 633 нм, падающая волна плоская ( E x = 1, E y = E z =0), фокусное расстояние f = 633 нм, высота рельефа h = 0,12 мкм, размер пиксела – 22 нм, период решёток – 220 нм, канавка у дифракционной решётки – 110 нм (5 пикселей) и ступенька – шириной 110 нм (5 пикселей). Все поле на рис. 12 а составляет 8×8 мкм, показатель преломления материала решёток n =4,35+0,486 i (аморфный кремний), подложка из стекла ( n = 1,5); сетка отсчётов в FDTD-методе – λ /30 по всем трем координатам.

Фокусное пятно имеет почти круглую форму (рис. 12б), и размеры по декартовым осям по полуспаду интенсивности равны FWHMx = 0,390λ, FWHMy = 0,401λ. Вся энергия фокусного пятна сосредоточена в продольной компоненте поля Ez, так как субволновые решётки металинзы (рис. 12а) подобра- ны таким образом, чтобы падающую линейную поляризацию преобразовать в радиальную.

Рис. 12. Маска бинарного рельефа металинзы из аморфного кремния с фокусным расстоянием, равным длине волны f = λ = 633 нм (а), и сечения интенсивности на расстоянии 600 нм от поверхности линзы вдоль осей X и Y через центр фокусного пятна (б)

Заключение

В данном обзоре проведен анализ современных статей, посвящённых созданию субволновых решёток, предназначенных для изменения состояния поляризации и фазы проходящего через них излучения. Детально рассмотрены субволновые решётки, работающие как аналоги волновых пластинок, предназначенные для создания цилиндрических векторных пучков. Предложен простой подход для создания компонент с метаповерхностью на основе локальных субволновых решёток. Этот подход отличается от обычного, основанного на методе фазы Панхарат-нама–Берри, и не требует освещения светом с круговой поляризацией. Приводятся конкретные примеры микрополяризаторов и металинз.

Работа выполнена при поддержке гранта РНФ 1719-01186.