大直径纳米结构梯度折射率透镜外文翻译资料

 2022-01-27 22:14:18

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大直径纳米结构梯度折射率透镜

作者：Jedrzej Nowosielski,1,2 Ryszard Buczynski,1,2,* Andrew J. Waddie,1Adam　Filipkowski,1,3Dariusz Pysz,3Aongus McCarthy,1Ryszard Stepien,3and Mohammad

R. Taghizadeh

摘要：本文报道了具有良好色性的纳米结构梯度折射率显微透镜的发展和光学特性。我们介绍了一种基于量子化梯度折射率分布和使用纳米结构金属棒的大直径纳米结构梯度折射率微透镜的制造新概念。我们证明了性能的质量依赖于折射率能级的数目和透镜的直径。在光波长为633和850 nm时进行的测量表明，这两种波长具有良好的光学特性和相似的焦距。

1、导言

梯度折射率(GRIN)元件是一类平面微光学元件，它通过改变垂直于光轴的折射率来产生所需的光学性能[1]。GRIN透镜的平面特性是用它来制作紧凑型光学系统的极为重要的原因，因为它们可以很容易地与光纤、探测器、光源和其他微光学元件集成在一起[2]。特别是它们在光学传感、光互连计算和内窥镜检查等领域得到了成功的应用[2-4]。

有几种众所周知的制造梯度折射率微透镜的标准方法(如离子交换法、化学气相沉积法(CVD)、中子辐照法)，但它们都有一些缺点，其中折射率分布的不精确性是最显著的[1，5]。此外，用标准的GRIN制作技术可达到的折射率梯度是非常有限的，一般是∆n~0.1/250micro;m[6]。用化学气相沉积方法研制了一种一维多层的GRIN，折射率梯度为∆n=0.2 5/6.5micro;m[7]。

最近，我们采用了一种技术，它允许制造具有内部纳米结构和非常高的折射率梯度的二维梯度折射率透镜[8]。这些纳米结构的微透镜是使用一种改进的“堆叠和拉伸”技术制造的，类似于通常用于制造光子晶体光纤的技术。此方法能够产生极大的折射率梯度(∆n=0.2/5micro;m)。我们还证明了折射率分布的更一般的(即非径向)成形是可能的，记录了一种具有衍射极限性能的椭圆透镜的成功制造 [9]。纳米结构GRIN透镜的功能可以用标准梯度指数模型[10]来描述。然而，应该指出的是，在最近的研究工作[8，9]中所报道的制作的微透镜的直径是有限的(最多20micro;m)，这从根本上限制了它们的应用范围。这些最初的微透镜是使用传统的预成型组装技术制造的，其中基础玻璃的单个棒(20micro;m透镜约为10000个)被放置在适当的模板中。使用这种技术组装直径为100micro;m的透镜是不可行的，因为它需要人工放100000-250 000个单独的玻璃棒。然而，机器人组装预制块方法的出现可能会使这种直接制造纳米结构方法在未来变得实用。

本文提出了一种制备具有内部纳米结构的大直径定量梯度透镜的新方法。我们比较了量子化的纳米结构透镜和理想的连续透镜的性能，报告了该器件的制备方法，并对不同波长的聚焦特性进行了测试。

2、量子化纳米结构梯度折射率透镜的设计。

一种纳米结构微透镜由不同类型的平行亚波长玻璃棒所组成。在本文考虑的情况中，两种类型的玻璃都是由具有不同折射率的能够热相容和机械兼容的两种玻璃中的一种制成的。金属棒按照预定图案堆叠，棒的亚波长直径在结构中产生有效(平均)折射率的准连续分布。设计算法使用一阶Maxwell-Garnet公式[11]，其中某一点的有效折射率是通过对该点周围的折射率进行平均(在入射光波长的尺度上)来计算的。用代价函数测量目标折射率分布和有效折射率的电流分布之间的差异，通过模拟退火优化了棒的分布。设计算法已经被描述在[8]，制造过程是在镶嵌技术的基础上进行[12]。

作为测试结构，我们选择了直径为100micro;m的梯度折射率透镜，其最小折射率和最大折射率分别为1.5212和1.6068。这种直径和折射率梯度的理想GRIN透镜的径向折射率分布为：，梯度折射率常数( )为6.531/mm，全螺距长度(一条全正弦光线路径的距离= )为=963micro;m，最大接受角为63.3度，四分之一焦距的有效值(1)为95.3micro;m。在近轴近似下，当照明波长为850 nm时，透镜的f数为f#=1.05，衍射极限焦斑为1.97micro;m。

如上所述，所设计的透镜中的折射率能级的数目是受限制的。为了比较所设计的透镜与理想透镜的性能，我们使用快速傅里叶变换光束传播法(FFT BPM)[13]进行了一组模拟。

图1、(a)由101x101“像素”组成的量化纳米结构GRIN微透镜的示意图，其中7种离散的有效折射率结构之一是由组成两种软玻璃的纳米结构形成的。(b)理想的连续梯度折射率微透镜。

制作具有32个折射率能级的纳米结构透镜将是非常耗时、不切实际和不符合成本效益的。所提出的这种方法的实际技术限制是7个折射率级(图1)， 为了确定能够生产出可接受透镜的最大透镜直径，我们研究了随透镜直径的减小，透镜性能变化的规律。这些模拟结果（图2）表明，为了获得良好的光学性能，最大透镜直径约为140~200micro;m。

图2、随着依次减小的直径(a)500micro;m、(b)250micro;m和(c)140micro;m，7级折射率的纳米结构GRIN微透镜的聚焦性能逐渐改进。直径分别为(d)500micro;m、(e)250micro;m和(f)140micro;m的理想连续梯度折射率透镜的聚焦特性。照明波长为850 nm。

3、大型纳米结构透镜的研制

图3、由7种类型的100x100纳米棒组成的梯度折射率微透镜的结构

最初的纳米结构透镜设计使用了一个由100x100纳米棒(元)组成的六边形晶格，如图3所示。每种纳米元的直径为1.2micro;m，由直径20 nm的50x50的纳米棒组成。设计在850 nm的波长下，玻璃的不同组份(NC21和F2)组成了7种不同类型的元，以获得不同的有效折射率。纳米元的有效折射率在n1=1.5212(纯NC2 1玻璃)和n7=1.6068(纯F2玻璃)之间呈线性关系。根据预先计算的图案，使用两种基本玻璃NC21和F2制作了七根棒中的五根，以确保每根纳米棒内的有效折射率均匀(图4)。NC21是华沙电子材料技术研究所内部合成的硅酸盐玻璃(NdNc21=1.5212)。NC21和F2玻璃都是热相容的，以允许在光纤拉丝塔内进行联合热变换。NC21和F2玻璃的重量组成分别为：SiO2=55.0%，Al2O3=1.0%，B2O3=26.0%，Li2O=3.0%，Na2O=9.5%，K2O=5.5%，As2O3=0.8%。 SiO2=45.7%，PbO=45.5%，Na2O=3.5%，K2O=5.0%，As2O3=0.8%。

图4、由两种基本玻璃NC21和NC25组成的五种纳米元的结构，根据计算的伪随机图案，确保每一个5个纳米结构棒中都有均匀的有效折射率。

利用光纤拉丝塔，采用堆叠法和拉丝法制备了纳米棒，其制备方法如下：
1.绘制两种热相容玻璃的单个校准棒(直径1 mm)-NC21和F2(图5(a))。
2.根据计算的模式组装5个元的预制件(图4)。预制件是六角形的，没有外管(图5(b))。
3.绘制直径为0.5 mm的一系列元 (图5(c))。

图5、元体发展示意图：校准棒的绘制(a)、六角形元体预制体的组装(b)、最终元体的绘制(c)。

采用类似的叠加法和拉丝法，采用光纤拉丝塔，通过以下步骤制备了具有纳米结构的梯度折射率透镜：
1、根据计算的图案将预制件与7种元组装在一起(图3)，元的直径为0.5 mm。该结构被嵌入到NC21管中，NC21管和六角形透镜结构之间的自由空间被额外的NC21棒填充(图6(a)、7(a)、7(b))。
2、将预制件绘制在纤维塔上，拉伸形成直径为3 mm的中间预制件(图6(b))。
3、最终预制件的装配。带有透镜结构的杆件嵌入在外径为30 mm的厚壁NC21管中(图7(c))。
4、在纤维塔上将最终预制件拉成直径为1 mm的最终结构。透镜结构的直径为100micro;m(图7(d))。
5、使用金刚石锯(图6(c))将纳米棒切成合适的长度(四分之一节距透镜或其他)。
6、用光纤粉末抛光加工装配件的光学表面(图6(d))。

图6、制备纳米结构梯度折射率透镜的方案示意图：(a)结构透镜预制件的组装，(b)透镜预制件的拉丝，(c)切割，(d)表面抛光。

图2。7.。纳米结构定量梯度折射率透镜的研制过程：(a)预制体与元材料的组装；(b)透镜结构的最终预制体，直径为60 mm；(c)中间预制体，直径为30 mm；(d)最终的微透镜，直径为0.1 mm。

由于所制作的透镜特征尺寸很小，折射率很低，所以对其内部结构的测量是很困难的。也正是因为微透镜内的特征尺寸小，不能用测量相移的标准方法进行测量[14]。最后制得的透镜结构用相差显微镜进行了验证(图8)，得到了与各种有效指标相对应的环结构的清晰图像，制作的透镜直径为140micro;m。

图8、一种新型纳米结构梯度折射率透镜的相衬显微镜照片

4、制得的透镜性能的数值验证。
根据设计和所制作透镜的最终直径，我们进行了FFT BPM模拟，验证了所制作透镜的要达到的预期性能。模拟波长为850 nm。为了确定制作的透镜的四分之一节距，我们对光在直径为100micro;m的无限长的棒状透镜中的传播进行了模拟。测得纳米结构微透镜的四分之一螺距为249micro;m(图9(a))，焦点处半峰宽的(FWHM)光束直径为0.7micro;m处(图9(b))。作为参考，我们对相同直径的连续(非量化)透镜进行了模拟。在这种情况下，透镜的四分之一螺距等于232micro;m(图10(a))，焦点处的半峰宽光束直径为0.8micro;m(图10(b))。这两个透镜之间相对较小的差别表明，我们可以期望纳米结构透镜以与理想透镜以几乎相同的方式工作。应该注意的是，在量化透镜相对于理想透镜的情况下，Airy环的强度较低(图9(b))。这表明纳米结构透镜相对于理想透镜(图10(b))的预期性能下降。在实际中，由于在模拟中不同量子化能级之间的边界上存在明显的折射率差异，所制备的纳米结构透镜的性能应该比在模拟中观察到的更好。在制作的结构中，玻璃之间的扩散过程导致了“模糊”的边界转变。

图9、光在直径为100micro;m的无限量子纳米结构透镜中的传播：(a)沿光轴的截面，(b)垂直于光轴的聚焦截面。在波长为850nm进行了仿真。

图10、光在直径为100micro;m的无限理想连续纳米结构透镜中的传播：(a)沿光轴的截面，(b) 在焦点处垂直于光轴的截面。在波长850 nm进行了仿真。

第5节中介绍的测量是使用厚度为140micro;m的透镜进行的，需要进行模拟以确定这段透镜的工作距离。此外，模拟可以预测光束在焦点处的直径。确定了纳米结构量化微透镜的工作距离为65micro;m(图11(a))，焦点处的半峰宽光束直径为0.9micro;m(图11(b))。作为参考，直径和波长等参数相似的理想连续(非量子化)透镜的工作距离为68micro;m(图12(a))，焦点处的半峰宽光束直径为1.0micro;m(图12(b))。

图11、直径为100micro;m，长为140micro;m的量子纳米结构透镜中光的传播：(a)沿光轴的截面，(b) 在焦点处垂直于光轴的截面。在850 nm的波长进行了仿真。

图12、光在直径为100micro;m，140micro;m长的理想连续纳米结构透镜中的传播：(a)沿光轴的截面；(b)在焦点处垂直于光轴的截面。对850nm的波长进行了仿真。

用FFT-BPM方法计算了直径为100micro;m，长为140micro;m的纳米结构透镜在633 nm处的色性。在量化纳米结构透镜的情况下，工作距离为60micro;m(图13(a))，焦点处的半峰宽光束直径为0.6micro;m(图13(b))。作为参考，具有相似直径和波长参数的理想连续(非量化)透镜的工作距离等于63micro;m(图14(a))，焦点处的半峰宽光束直径为0.7micro;m(图14(b)。

图13、光在直径为100micro;m，140micro;m长的量子化纳米结构透镜内的传播：(a)沿光轴的截面；(b) 在焦点处垂直于光轴的截面。对633 nm波长进行了仿真。

图14、光在直径为100micro;m，140micro;m长的理想连续纳米结构透镜内的传播：(a)沿光轴的截面；(b) 在焦点处垂直于光轴的截面。对633 nm波长进行了仿真。

综上所述，模拟结果表明所制备的直径为100micro;m、长度为140micro;m的纳米结构透镜具有与非量子化理想透镜相似的光学性能。工作距离将在理想透镜的5%以内，在200 nm(633 nm-850 nm)波长范围内的变化约为9%。

5、实验结果。

为了表征微透镜的聚焦特性，在图15中呈现了该装置。该系统由红外二极管激光器、配有850 nm优化准直组件的多模光纤(核心直径50micro;m)、Nd滤光片、反射镜、以及带管和显微镜物镜的线阵CCD摄像机Cohu(4910系列)组成(图16)。该相机在线性范围内以固定增益工作，并安装在计算机控制的两轴平移台上。使用数值孔径为0.65的x40显微镜物镜。实验在532 nm、633 nm和850 nm三种波长下进行。准直后每束激光的直径约为10 mm。

基于CCD相机获得的二维图像，我们确定了焦点处的光束直径。此次测量的平移分辨率为 /minus;1micro;m。我们用半峰宽(FWHM)准则来确定梁的直径。透镜的焦平面由CCD沿光轴方向扫描确定。计算机控制的平移台具有亚微米

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