基于介質超表面的寬譜、大偏轉角近紅外光束偏轉器

程 宏，李洪濤，3*，韓彥軍，2，3，孫長征，3，郝智彪，3，熊 兵，3，汪 萊，3，王 健，3，余佳東，2，3

(1. 清華大學 電子工程系 北京信息科學與技術國家研究中心，北京 100084；2. 浙江清華柔性電子技術研究院 柔性智能光電子技術研究所，浙江 嘉興 314006；3. 清華大學 柔性電子技術研究中心，北京 10084)

1 引 言

超表面是基于波長或者亞波長量級二維結構(如納米柱陣列)的超薄平面光學元件，它利用亞波長結構引入相位、振幅及偏振跳變，每個亞波長結構相當于一個新的子波源，根據惠更斯原理，通過控制各個子波源的相位、振幅和偏振來實現特定的光學功能[1-5]。這樣的特性使它在高效率、微型化、柔性化以及突破傳統器件性能限制等方面具備獨特優勢，能為包括激光光束控制和整形、理想透鏡成像、高性能3D顯示在內的眾多應用提供有效手段。基于超表面的理想透鏡(接近或超越衍射極限)、全息光柵、光束偏轉器、光耦合器、波片、準直器、渦旋光產生器等光學器件相繼問世[6-15]，光學超表面已成為光學和光電子領域的研究熱點之一，為新型高效率光學器件的微型化、集成化提供了新的思路。

光束偏轉器作為一種最基礎的光學器件，能夠對入射光進行一定角度的偏折，是激光雷達探測等應用領域的核心部件。光在超表面處的折射和反射滿足廣義斯涅爾定律，即：在兩個折射率不同的材料交界面處，出射光的偏轉角度不僅受到材料折射率和入射角度的影響，還與超表面引入的相位跳變梯度有關[2]。因此，要實現給定角度的光束偏轉，就需要引入特定的相位跳變梯度，傳統超表面一般采用一組尺寸或旋向各異的亞波長結構等間距地離散排列在一起。本文以“納米柱”為例，每個納米柱單元形成特定的相位跳變，相位跳變的大小為等差序列，從而整體上形成0～2π的相位梯度。

然而，基于離散納米柱陣列實現的光束偏轉器面臨以下問題：一方面，離散納米柱對應的離散相位是階梯狀的0～2π采樣，不連續的相位梯度會造成能量損失、偏轉效果擾動和高級次衍射；另一方面，離散納米柱不易加工、魯棒性差，較難實現大角度的光束偏轉(大角度偏轉需要大的相位梯度，離散納米柱的尺寸存在最小極限，相鄰納米柱間存在空隙，采樣率不變的情況下，相位梯度難以擴大)，而且因為每個納米柱的相位跳變是根據電磁共振原理設計，結構一旦確定，適用波長范圍較窄。目前，傳統超表面光束偏轉器大多針對單一波長設計，在近紅外波段寬譜效率高于80%的透射式器件的偏轉角度小于35°[16-19]。

為了解決上述問題，人們設計出大偏轉角、寬光譜、高效率的光束偏轉器。2014年，Li等人提出了一種連續超表面的結構，由一個橫截面為梯形的納米柱替代傳統超表面中多個離散納米柱構成的陣列，實現了0～2π的連續相位梯度，在850 nm的入射光照射下，偏轉角度為45°，仿真偏轉率高于80%。這種結構已成功應用于光譜儀、分束器等領域，但是他們采用的金屬等離子體材料和反射式光路限制了它在近紅外和可見光波段的運用和集成[20-22]。2018年，劉洋等人延續“連續超表面”的概念仿真設計了一種適用于紅色可見光波段的單晶硅超表面光束偏轉器，該偏轉器在740～780 nm波段具備高于70%的仿真透射率，751 nm處的仿真偏轉率接近79%，偏轉角度為30°，但是由于工藝難度大未能制備出器件進行測試[23]。

本文針對近紅外1 550 nm附近波段，以石英玻璃為襯底、非晶硅作為亞波長結構材料，設計了一種透射式、寬譜、大偏轉角光束偏轉器，降低了反射式光路，高階衍射，耦合串擾以及工藝難度的限制，在1 550 nm處實現了高達42.8°的大角度偏轉，仿真偏轉率為80%；光束入射角在-10°～5°變化時，偏轉角度符合廣義斯涅爾定律，偏轉率為68%～84%。該器件在1 350～1 650 nm波段均可適用，仿真得到的平均透射率高于87%，平均偏轉率為81%。

2 光束偏轉器設計

如圖1所示，傳統超表面采用多個離散的小尺寸納米柱等間距排列在一起構成納米柱陣列，通過改變各個納米柱的尺寸或旋向實現特定的相位跳變，從而形成圖中0～2π的離散梯度相位。根據廣義斯涅爾定律有：

(1)

本文設計的超表面光束偏轉器利用一個橫截面為梯形的大尺寸納米柱，替換圖1中傳統超表面采用的多個離散的小尺寸納米柱，在梯形高的方向上實現連續的0～2π梯度相位。根據廣義斯涅爾定律實現光束偏轉功能，具體的單元亞波長結構如圖2所示。

圖1 傳統超表面基于廣義斯涅爾定律的偏轉器結構[2]Fig.1 Structure of traditional metasurface beam deflector based on Snell’s law[2]

圖2 本文設計的超表面光束偏轉器采用的單元Fig.2 Unit cell of proposed metasurface beam deflector

利用橢偏儀測得石英玻璃的折射率在1.4附近，本文制備的非晶硅折射率在3.6附近，兩者在所涉及的目標波段的吸收可以忽略，之后的仿真設計圍繞該參數展開。

圖3 優化后的超表面光束偏轉器結構示意圖Fig.3 Schematic diagram of optimized beam deflector

3 寬譜、大偏轉角光束偏轉器的性能仿真

本文采用FDTD完成理論計算與3D仿真。器件的真實結構為800 nm高的納米柱排列在1 mm厚的襯底上，仿真時采用的仿真區域如下：z軸方向(高度方向)為納米柱中心上方10個波長至納米柱中心下方20個波長(納米柱的中心作為坐標原點)；x軸方向和y軸方向的仿真區域尺寸分別為該方向的單元周期。仿真時在z軸方向設置了完美吸收層(Perfectly Matched Layer，PML)以隔絕反射和散射的影響，在x和y軸方向上采用周期性邊界條件以降低計算復雜度。通過設置垂直于z軸的平面監視器來獲得襯底內部的光束偏轉效果，再根據折反射定律計算最終出射到空氣中的偏轉角度。入射光為正入射的1 150～1 750 nm 線偏光，偏振方向垂直于梯形橫截面的高h，平行于y軸。為了驗證偏轉效果，本文仿真驗證了器件的透射率、遠場能量分布以及偏轉率等參數。其中，透射率等于出射光能量與入射光能量的比值，偏轉率等于偏轉到目標角度的能量與入射光總能量的比值。

3.1 透射與偏轉特性

仿真發現，梯形納米柱在1 350～1 650 nm的線偏光照射下均具備良好的偏轉特性。圖4表示不同波長下器件的透射率和偏轉率。由圖可知，1 550 nm處器件的透射率和偏轉率達到84%和80%；1 350～1 650 nm間的效果略有起伏，透射率和偏轉率區間分別是77.2%～94.9%，67.7%～83.9%，平均值高于87%和81%。

本文在入射光源上方3 000 nm、襯底下方3 000 nm以及襯底內部距離納米柱陣列2 000，5 000和20 000 nm的深度處設置了仿真監視面。結果顯示：1 550 nm波長入射下，14%的光反向穿透入射光源上方的監視面，而襯底中的光能隨著傳輸僅下降了1%，由此證明超表面入射面處的反射是造成透射率較低的主要原因，可以通過優化梯形尺寸、減少尖角、降低高度和設置增透膜等方式進行改善；石英玻璃襯底的吸收損耗占據整個器件損耗的絕大部分，但影響微乎其微。

圖4 不同波長下器件的仿真透射率和偏轉率Fig.4 Simulated transmittivity and deflection efficiency at different wavelengths

在1 150～1 750 nm波段，本文均勻選擇61個波長作為研究對象。通過仿真遠場能量分布發現，在1 350～1 650 nm波段，遠場分布顯示出明顯的光束偏轉效果，以1 450，1 550和1 650 nm的結果為例(如圖5所示)。出射光集中在目標偏轉角度附近，無其他級次的光斑，圖中的角度為襯底中的偏轉角。隨著波長的進一步增大或減小，遠場分布逐漸失去光束偏轉效果而呈現直接透射或多級次衍射的結果。

(a)1 450 nm

(b)1 550 nm

(c)1 650 nm

通過計算遠場能量分布隨著空間角度的變化，以x軸的空間角度為橫坐標，對應角度上的能量占比為縱坐標，得到圖6。可以發現：對于1 550 nm的入射光，大于90%的出射光集中在襯底中29.1°附近(從襯底出射到空氣后的最終偏轉角為42.8°)，其余角度的出射光可以忽略不記(其中次級最大峰占比為1.46%)。這樣的特性在1 350～1 650 nm得到了保持，偏轉角度隨波長的變化而變化，符合廣義斯涅爾定律。

圖6 1 550 nm出射光在遠場x軸方向不同角度的能量占比Fig.6 Proportion of far field energy at different angles in x-axis at 1 550 nm

3.2 入射角度依賴性

評價光束偏轉器的性能時，除了偏轉率、透射率、偏轉角和加工難度外，入射角度依賴性也是尤為重要的考量指標。它指的是在其他條件不變的情況下，當入射光入射角度改變時器件性能的變化情況。

為了研究器件的入射角度依賴性，本文在保持偏振、強度不變的情況下，令入射角沿著x軸方向以10°的間隔從-30°～30°變化(順時針為正，逆時針為負)，偏轉率和透射率關于入射角度的變化曲線如圖7(a)所示。粗略估計可知，器件在-10°～10°區間內能夠保持較好的偏轉效果；隨著入射角的進一步增大，偏轉效果逐漸惡化，偏轉率驟降。隨后本文對-10°～10°的入射角進行精細掃描得到圖7(b)，準確獲得器件的有效入射角度為-10°～5°，透射率區間為77%～86%，偏轉率區間為59%～81%。器件對負向角度入射具備更加優異的效果，表現在圖7中曲線的不對稱性上，這是由于納米柱橫截面梯形的不對稱性造成的。

(a)粗略結果

(b)精細結果

4 器件制備與測試

4.1 介質超表面光束偏轉器的制備

介質超表面光束偏轉器由石英玻璃襯底和非晶硅納米柱兩部分組成，在1 mm厚的石英玻璃襯底上采用等離子體增強化學氣相沉積法(PECVD)沉積800 nm厚的非晶硅，隨后將厚度為200 nm的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)旋涂在其上，經電子束曝光(EBL，jbx-6300 fs，JEOL)、顯影等步驟繪制目標圖案，并經電感耦合等離子體(ICP，PlasmaPro 100 Cobra，Oxford)刻蝕等步驟最終在非晶硅上形成目標結構。

圖8是最終制備出的器件的SEM圖(掃描電子顯微鏡下的結構)。梯形納米柱尺寸為：上底172 nm(誤差為7.5%)，下底319 nm(誤差為2.9%)，梯形高為1 457 nm(誤差為1.1%)，納米柱厚度為830 nm(誤差為3.7%)，垂直度保持在±5°以內。

(a)斜視圖

(b)俯視圖

4.2 測試平臺與結果

測試光路如圖9所示，1 550 nm激光器(Thorlabs LDM1550)出射的準線偏光經過縮束器(Thorlabs GBE10-C)進行縮束及準直以匹配器件尺寸，通過波片(Thorlabs AQWP10M-980)和線偏振濾光片(Thorlabs LPIREA100-C)調節線偏光的偏振方向。利用熒光對準盤確定光斑的大小和位置后，調整入射光對準加持在XYZ位移調節臺上的超表面器件。出射光照射在毛玻璃上，利用CCD相機(Xenics 4153)拍攝毛玻璃上的光斑分布。

圖9 光束偏轉測試平臺光路Fig.9 Optical path of beam deflection test platform

測試結果如圖10所示，對于1 550 nm的入射光，制備加工出的光束偏轉器的實際偏轉角度集中在41°附近，透射率為76%，偏轉率為35%。與仿真結果對比發現，實際偏轉角度與仿真結果的相對誤差小于5%，器件透射率略小于仿真結果，測試得到的偏轉率相對較低。偏轉率的下降主要是由納米柱的高度、垂度以及尺寸誤差造成，納米柱結構的偏移會影響相位調制的效果，實際相位與仿真相位之間的差異破壞了出射光的偏轉特性；同時，PECVD沉積的非晶硅存在一定的不均勻性，在蝕刻過程中發生了脫落和傾倒，影響偏轉效果；另一方面，實際入射光并非完全均勻準直的線偏光，造成偏轉特性的降低。這些問題將在后續的研究中加以改進。

圖10 CCD拍攝的出射光斑分布Fig.10 Distribution of outgoing light spot captured by CCD

5 結 論

本文設計了一種基于介質超表面的寬譜、大偏轉角光束偏轉器，它由一個橫截面為梯形的非晶硅納米柱周期性重復排列在石英玻璃襯底上構成。相比于傳統超表面采用多個納米柱實現離散的相位梯度，本文提出的結構易于加工、入射角依賴性低，形成的連續相位梯度對應更好的偏轉率和透射率，偏轉角度也大于傳統結構，并且具備一定的寬譜特性。仿真結果顯示，在1 550 nm處，器件的透射率高達84%，偏轉率為80%，偏轉角度為42.8°，允許x軸方向的入射角在-10°～5°變化，透射率為77%～86%，偏轉率為59%～81%。該器件在1 350～1 650 nm均具備良好的偏轉特性，仿真平均偏轉率高于81%，偏轉角度符合廣義斯涅爾定律。測試結果表明：偏轉角度在41°附近，與仿真結果的相對誤差小于5%，超表面透射率高達76%，有接近35%的入射光束偏轉到設定方向(角度)上。上述設計方案為近紅外超表面的設計提出了新的思路，透射式光路更加適合集成，在偏振態探測、掃描式激光雷達和結構光等領域擁有應用潛力。