Batchfabricage van breedband metalen vlakke microlenzen en hun arrays door zelfassemblage van nanosfeer te combineren met conventionele fotolithografie

Resultaten en discussie

1. ik.

   Focusprestaties van microlenzen

Het 3D-model van microlens met de diameter van d met cirkelvormige nanogaten gerangschikt in een hexagonaal rooster wordt vastgesteld met behulp van de FDTD-methode. De gecollimeerde, x -gepolariseerd licht met een werkende golflengte van 532 nm wordt verlicht, een goed gedefinieerde brandpunt (locatie van maximale intensiteit) wordt waargenomen in de x -z vlak (hetzelfde als y -z vlak omdat het elektromagnetische veld symmetrisch is verdeeld) door het midden van de 4-μm microlenzen, en de volledige breedte op half maximum (FWHM) van de plek in het brandvlak is 1,25 μm (Fig. 5a), wat dichtbij is tot de Rayleigh-diffractielimiet van 0,912 μm berekend door 0,61λ /NA [31]. Verder worden de far-field optische patronen gesimuleerd met de roosterafstanden van 522 en 900 nm, en worden de operationele golflengten van 532 en 633 nm geselecteerd. De gesimuleerde brandpuntsafstanden zijn 12 en 10,4 μm voor de 4-μm microlens bij λ = 532 en 633 nm, en de waarde neemt toe tot 46 μm voor de 8-μm microlens bij λ = 532 nm, zoals weergegeven in Fig. 5a, c. Omdat hun focusseringseffecten niet het gevolg zijn van de golffronttechniek, hebben microlenzen van 4 μm met een roosterafstand van 522- of 900 nm bijna identieke brandpunten, wat bevestigt dat de brandpuntsafstand voornamelijk afhangt van de lensgrootte en de werkende golflengte.

een Optische veldtoewijzingen van de 4 μm microlens voor de gesimuleerde gevallen van a1 λ = 633 nm, P = 522 nm; a2 λ = 532 nm, P = 522 nm; a3 λ = 532 nm, P = 900 nm; en a4 het gemeten resultaat van λ = 532 nm, P = 900 nm. b De axiale lichtintensiteit van de berekende RS-integraal, FDTD-simulatie en optische meting voor de ontworpen microlens van d = 4 μm. c Het verschil in veldintensiteit voor de c1 gesimuleerd en c2 gemeten resultaten wanneer d = 8 μm bij λ = 532 nm, P = 900 nm. d De axiale intensiteit voor de microlens van d = 8 μm. De intensiteitsvelden langs de y-z vlakken zijn identiek verdeeld als x-z vliegtuigen

Het brandpunt is onderhevig aan de klassieke Rayleigh-diffractielimiet omdat de verre-veldfocussering niet voortkomt uit het herstel van het verdwijnende veld [32] of superoscillaties [33]. Daarom kan de afhankelijkheid van de brandpuntsafstand van de werkende golflengte worden uitgedrukt door een relatie afgeleid van de Rayleigh-Sommerfeld (R-S) integraal [18]. Uit figuur 5b, d, kunnen we zien dat de berekende optische veldverdelingen door de RS-integraal zeer goed overeenkomen met de FDTD-simulatieresultaten voor beide gevallen. De meetresultaten vertonen echter een klein verschil vanwege de verschillende fouten die zijn geïntroduceerd tijdens de fabricageprocedure en optische meting. Het is vermeldenswaard dat voor het geval van 4 m de meetafwijking in tegenstelling tot de simulatie 8,3% is, vergeleken met 1,1% voor het geval van 8 m. Met andere woorden, de microlenzen met een grotere diameter zijn ongevoeliger voor de normale fouten.

Aangezien de scherpstellingsprestaties niet relevant zijn voor de golffronttechniek, hangt de optische doorvoer van het brandpunt af van de SP-verbeterde transmissie door de subgolflengte-openingen [18]. Wanneer de resultaten van Fig. 6 worden vergeleken met de transmissiespectra van de verschillende microlenzen, zijn de verbeterde transmissies en de onderdrukte transmissies aanwezig op verschillende golflengten, afhankelijk van de roosterafstand. Volgens eerdere rapporten [34] werd ontdekt dat de selectieve spectrale respons voortkomt uit het gecombineerde effect van de propagerende oppervlakteplasmonresonantie (PSPR) die wordt aangehouden op het metaal/diëlektrische grensvlak en de gelokaliseerde oppervlakteplasmonresonantie (LSPR) rond de nanogaten. Zoals te zien is in figuur 6c, vertonen de locaties van de transmissiedips, zoals geïmpliceerd door de cirkels, een rode verschuiving langs de x -coördinaatas naarmate de roosterafstand groter wordt, zo is het ook met de transmissiepieken. Dit geeft de microlenzen ongebruikelijke mogelijkheden om de optische doorvoer bij specifieke golflengten te regelen en zorgt ervoor dat microlenzen gemakkelijk kunnen worden ontworpen met een zeer efficiënte focussering. Afbeelding 6a, b geeft de veldverdelingen van een microlens van 4 μm voor het geval van P = 400 nm bij respectievelijk de dipgolflengte van 581 nm en de piekgolflengte van 681 nm. Behalve een afname van de brandpuntsafstand die wordt geïntroduceerd door de toegenomen golflengte, is de intensiteit van het brandpunt voor de golflengte van 681 nm bijna 100 keer meer dan die van λ = 581 nm.

een , b Simulatieresultaten van de elektrische veldpatronen van de 4-μm microlens wanneer P = 400 nm bij de werkgolflengte van λ = 581 nm (transmissiedip) en 681 nm (piek), respectievelijk. c Gesimuleerde totale transmissiespectra voor de microlenzen die overeenkomen met de roosterafstanden P = 400, 530 en 600 nm in het frequentiebereik van 400~800 nm, en de inzet toont het model van een microlens van 4 m. De transmissiedips en piek worden gemarkeerd door cirkels en driehoek , respectievelijk

1. II.

   Invloeden van toevallige defecten

Ondanks het feit dat NSL een zeer parallelle fabricagemethode is om nanohole-arrays met een groot oppervlak in de microlenzen en hun arrays te creëren, is een waargenomen probleem van deze techniek dat de defecten willekeurig worden verdeeld over de nanohole-laag van de microlenzen. De defecten zijn bijna onvermijdelijk tijdens het zelfassemblageproces van nanosferen, waarvan normaal wordt aangenomen dat ze de resolutie en penetratiediepte van de optische methoden fundamenteel beperken. Het is echter verbazingwekkend dat defecten een ongebruikelijk alternatief bieden voor conventionele periodieke structuren om licht te manipuleren. Het is aangetoond dat sommige willekeurige defecten de scherpte van de focus in een specifiek optisch experiment verbeteren in plaats van verslechteren [35, 36]. Daarom is de invloed van defecten die voortkomen uit ons fabricageproces op de focusprestaties van de hier bestudeerde microlenzen essentieel voor praktische toepassingen en het verdere onderzoek naar willekeurige fotonische kristallen.

Afgezien van de bovengenoemde vacatures, dislocaties en meerlaagse defecten die worden gegenereerd door de zelfassemblageprocedure van nanosferen, kan de vormvervorming van nanogaten ook optreden in de uiteindelijke microlenzen tijdens de PS-krimp en PS-verwijdering als gevolg van de onevenwichtige O₂ plasma-etsen. Daarom kunnen deze defecten die we beschouwden worden geclassificeerd als de vorm- en positiefouten. Om de impact van de vormdefecten op de focusprestaties van microlenzen te demonstreren, presenteren we de microlenzen met verschillende onrondheid σ in de nanogaten wanneer hun gemeenschappelijke vulfactor 0,33 is en de overeenkomstige optische scherpstellingsafbeeldingen worden gegeven in Fig. 7a. Het is duidelijk dat deze focuspatronen voor gevallen van σ = 0.4 en σ = 0,7 zijn bijna hetzelfde, behalve de kleine variatie in de intensiteit van de brandpunten. Duidelijker is dat, zoals te zien is in figuur 7a, de vergelijkbare brandpuntspatronen in a1, a2 en a3 aangeven dat de toegenomen mate van vervorming en de verandering van de vervormingsrichting een verwaarloosbare invloed hebben op de focusseringseigenschappen van microlenzen.

een Brandpunten van microlenzen zijn onafhankelijk van de onrondheidsfout σ van nanogaten. De focuseigenschappen laten geen duidelijke verandering zien wanneer σ = 0 (afgeronde nanogaten) in Fig. 5 wordt verhoogd tot a1 σ = 0.4, a2 σ = 0,7 met een horizontale vervormde richting, en a3 σ = 0,7 met een loodrechte vervormde richting. b Introductie van ruimtelijke willekeur in de posities van nanogaten. Afwijkingsrichtingen zijn willekeurig verschillend van hole tot hole, maar de afwijkingslengte δ wordt voor elk gat constant gehouden. Dezelfde focuspatronen worden verkregen wanneer de afwijkingslengte b1 δ = 0, b2 δ = 50 nm, en b3 δ = 100 nm

Om de invloeden van positiedefecten te onderzoeken, laten we de posities van nanogaten in verschillende richtingen afwijken met een lengte δ . De afwijkingsrichting van elke hole wordt willekeurig verdeeld van hole tot hole en constant gehouden voor elke δ (zie Afb. 7b). Met de toename van δ , wijken de nanogaten af ​​van de perfect dicht opeengepakte staat en worden ze "meer willekeurig". Drie vergelijkbare focuspatronen van microlenzen met betrekking tot verschillende willekeurige posities van nanogaten, δ = 0, 50 en 100 nm worden verkregen. Verder wordt waargenomen dat een lichte afname van de foci-intensiteit op het veldprofiel verschijnt met een meer willekeurige nanohole-array. Het laat vooral zien dat de vorm- en positieafwijkingen in microlenzen weinig effect hebben op de scherpstelprestaties en meestal alleen de intensiteit van de brandpunten moduleren.

1. III.

   Focusprestaties van microlens-arrays

Afbeelding 8 toont de gefabriceerde 3 × 3 microlenzen-array met verschillende tussenruimten en de experimenteel gemeten optische patronen onder λ = 532 nm, evenals de breedbandverlichting. Merk op dat de brandpunten van microlenzen met meer dislocaties in de array zwakker zijn dan die van andere microlenzen in figuur 8b. Het is omdat de dislocatiedefecten het aantal nanogaten dat bijdraagt ​​aan het optische interferentiepatroon effectief verminderen. Verder laten de resultaten een uitstekende overeenkomst zien met die verkregen door de FDTD-simulaties dat de defecten voornamelijk de foci-intensiteit beïnvloeden. Bovendien kunnen de microlenzen het breedbandwitte licht (Fig. 8 (a2) en (b2)) focussen vanwege de minimale chromatische aberratie. De brandpunten onder de witlichtverlichting hebben dezelfde laterale afmetingen als die onder een enkele golflengte, terwijl de breedbandbrandpuntsafstand ongeveer het gemiddelde is van de brandpuntsafstanden bij de SP-versterkte golflengten. Bovendien komt het focusseringskoppelingseffect in microlens-array dat we in ons vorige onderzoek [37] hadden geanalyseerd naar voren in de verkregen focusseringspatronen als de regio's C, D en E gemarkeerd in Fig. 8 (b1) en (b2).

een Optische microscoopbeelden voor de gefabriceerde 3 × 3 microlens-array met een onderlinge afstand van 8 μm wanneer d = 8 μm en de gemeten optische patronen (A –A ) onder (a1) de enkele golflengte van λ = 532 nm en (a2) de breedbandverlichting. Identieke brandpunten van individuele microlenzen worden waargenomen. b Experimentele resultaten (B –B ) voor de 3 × 3 microlens-array-afstand 4 μm onder (b1) de enkele golflengte van λ = 532 nm en (b2) de breedbandverlichting. Het koppelingseffect tussen twee aangrenzende microlenzen, zoals aangegeven door de regio's C , D , en E , kan worden waargenomen