一种静电式动态可调反射式变焦超表面透镜及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种静电式动态可调反射式变焦超表面透镜及其制备方法，属于动态可调超表面领域，包括：玻璃衬底、ITO薄膜、天线、空气间隙、支撑结构、氮化硅薄膜、硅框架和金背板；天线用于入射光相位调控；空气间隙用于提供金背板变形的空间，金背板的最大变形程度为空气间隙厚度的三分之一；支撑结构用于形成空气间隙；金背板作为正电极且ITO薄膜作为负电极构成静电式MEMS系统，金背板为活动电极，用于在电压的调控下实现不同程度的凸起形变；天线的几何参数根据超表面透镜所需初始焦距、入射光波长和广义斯涅耳定律获取；本发明专利技术可通过改变ITO薄膜和金背板之间的电压，调节静态超表面透镜焦距，使成品率上升。

A kind of electrostatic dynamic adjustable reflection variable focus super surface lens and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种静电式动态可调反射式变焦超表面透镜及其制备方法
本专利技术属于动态可调超表面领域，更具体地，涉及一种静电式动态可调反射式变焦超表面透镜及其制备方法。
技术介绍
超表面作为一种新型的二维材料，可以对电磁波的振幅、相位、偏振和涡旋等多种性质进行调控，具有体积小、厚度薄和多功能特性，并且超表面和CMOS工艺相兼容，具有广泛的应用前景。静态超表面透镜由于在制备过程中的生长、曝光和刻蚀过程易引入误差，使得最终焦距和设计焦距产生偏移造成误差。该误差使得超表面透镜成品率降低。微机电系统(MEMS)通常利用液晶、石墨烯、机械、热变、静电等方式，可以在微小尺度上实现对器件的动态调控，经过一段时间发展已经越来越成熟，可以应用到微型光学器件上实现微光机电系统(MEMOS)，而MEMS的工艺和超表面的工艺相互兼容，因此，将超表面和MEMS相结合实现动态可调超表面势必是未来发展的趋势。常见的动态调控方式通常有液晶式、石墨烯式、机械式和热变式等等，其中，液晶式通过调整电压改变液晶方向实现动态调控，缺点在于液晶的响应速度较低，通常在毫秒级；石墨烯式通过调整石墨烯的费米能级实现动态调控，缺点在于石墨烯和传统的CMOS工艺不兼容，在现有的工业基础下很难大规模生产，并且石墨烯成本较高；机械式通过机械臂拉伸可形变介质实现动态调控，缺点在于附加的机械装置占用体积较大；热变式通过不同热膨胀系数的材料结合，控制温度变化实现结构动态调控，缺点在于系统结构冷却时间难以控制且速度较慢导致调控速度受限，并且在红外波段会产生较大的热噪声而无法应用。综上所述，静态超表面透镜由于焦距不可调控将导致成品率低，以及现有动态调控技术存在响应速度低、成本高、生产技术不成熟、体积占用较大、适用波段有限等缺点。
技术实现思路
针对现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种静电式动态可调反射式变焦超表面透镜及其制备方法，旨在解决现有的静态超表面透镜焦距不可调控导致的成品率较低的问题。为实现上述目的，本专利技术提供了一种静电式动态可调反射式变焦超表面透镜，包括：玻璃衬底、ITO(IndiumTinOxide，掺锡氧化铟)薄膜、天线、空气间隙、支撑结构、氮化硅薄膜、硅框架和金背板；ITO薄膜位于玻璃衬底上方，天线位于ITO薄膜上方的中间位置，支撑结构位于天线的外侧，在ITO薄膜和金背板分隔开形成空气间隙，ITO薄膜上设置施加电压的位置；氮化硅薄膜位于空气间隙上方，硅框架位于氮化硅薄膜的上方，金背板位于硅框架上方；天线用于入射光相位调控；空气间隙用于提供金背板变形的空间，金背板的最大变形程度为空气间隙厚度的三分之一；支撑结构用于形成空气间隙；氮化硅薄膜和硅框架用于支撑金背板；金背板作为正电极且ITO薄膜作为负电极构成静电式MEMS系统，金背板为活动电极，用于在电压的调控下实现不同程度的凸起形变；天线的几何参数根据超表面透镜所需初始焦距、入射光波长和广义斯涅耳定律获取；优选地，天线为金属或硅或二氧化钛或锗；优选地，天线的形状根据偏振无关特性为圆盘形或方形或圆环形；优选地，天线的形状根据偏振相关特性为条形或椭圆柱形或V形；优选地，入射光为红外波段；另一方面，基于上述提供的一种静电式动态可调反射式变焦超表面透镜，本专利技术提出了其制备方法，包括：(1)利用磁控溅射方法在玻璃衬底上方生长ITO薄膜；(2)利用电子束蒸镀方法在ITO薄膜表面蒸镀金；(3)在步骤(2)获取的金表面依次通过匀胶、曝光、显影、刻蚀和再显影，制备金天线阵列结构；(4)在步骤(3)获取的样片表面依次通过匀胶、曝光和显影，获取中空的绝缘支撑结构，将金天线所在区域以及ITO薄膜施加电压的位置裸露；(5)在支撑结构上方蒸镀氮化硅薄膜，并在氮化硅薄膜上方沉积硅框架，形成硅框架氮化硅薄膜窗口；硅框架的开窗口正对金天线，且开窗口大小大于等于金天线阵列的大小；氮化硅薄膜对入射光的光场无影响；(6)在硅框架氮化硅薄膜窗口上方蒸镀金薄膜，形成活动电极作为金背板；(7)将氮化硅薄膜与支撑结构固定，完成静电式动态可调反射式变焦超表面透镜的制作。优选地，步骤(3)包括：(3.1)在步骤(2)获取的金表面旋涂第一光刻胶，形成光刻胶面；(3.2)将金天线阵列结构版图通过电子束曝光设备对步骤(3.1)获取的光刻胶面曝光，形成具有图案的样片；(3.3)将具有图案的样片进行显影，获取具有金天线阵列结构的光刻胶层的样片；(3.4)在具有金天线阵列结构的光刻胶层的样片上刻蚀，形成具有金天线阵列结构的样片；(3.5)利用显影液将具有金天线阵列结构的样片上的光刻胶去除。步骤(4)具体包括：(4.1)在步骤(3)获取的具有金天线阵列的样片表面旋涂第二光刻胶；(4.2)对旋涂有第二光刻胶的样片进行曝光处理；若第二光刻胶为负光刻胶，则非曝光区域为金天线所在区域以及ITO薄膜施加电压的位置；否则，曝光区域为金天线所在区域以及ITO薄膜施加电压的位置；(4.3)对步骤(4.2)曝光后的样片进行显影处理，获取中空的绝缘支撑结构；第二光刻胶为负光刻胶。优选地，第二光刻胶为SU-8光刻胶。通过本专利技术所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：(1)静态超表面透镜在制备过程中，生长、曝光和刻蚀等工艺难以避免产生误差，影响超表面透镜的光学性能，使超表面透镜焦距产生误差，本专利技术提出基于MEMS的静电式动态可调反射式变焦超表面透镜可以解决静态超表面透镜焦距不可调的问题，由于透镜焦距不合格造成的成品可通过改变ITO薄膜和金背板之间的电压，调节静态超表面透镜焦距使其符合标准，因此，提高了整体的成品率。(2)对于非集成光学系统，由于存在超表面透镜焦距的误差，因此，超表面透镜在光学系统的装调方面需要进行相应的调整，导致光学系统的装调难度增大，本专利技术即使存在超表面透镜焦距的误差，也可以通过调节ITO薄膜和金背板之间的电压克服，并不需要在光学系统的装调方面做相应的调整。(3)对于集成光学系统，往往无法调整超表面透镜的位置，因此静态超表面透镜制备过程中产生的焦距误差最终对整个集成光学系统产生影响，造成系统误差，本专利技术可以通过调节ITO薄膜和金背板之间的电压改变焦距，校正焦距误差，最终减小系统误差。附图说明图1是本专利技术提供的静电式动态可调反射式变焦超表面透镜的结构剖视图；图2是本专利技术提供的金天线阵列结构俯视图；图3是本专利技术提供的静电式动态可调反射式变焦超表面透镜在不同电压下的焦点变化图；图4是本专利技术提供的静电式动态可调反射式变焦超表面透镜的制备流程图；图5是本专利技术提供的静电式动态可调反射式变焦超表面透镜的制备示意图；图6是本专利技术提供的静电式动态可调反射式变焦超表面透镜的工作示意图；在所有附图中，相同的附图标记代表相同的元件或结构，其中：11-玻璃衬本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种静电式动态可调反射式变焦超表面透镜，其特征在于，包括：玻璃衬底(11)、ITO薄膜(12)、天线、支撑结构(15)、空气间隔(20)、氮化硅薄膜(21)、硅框架(22)和金背板(23)；/n所述ITO薄膜(12)位于所述玻璃衬底(11)上方，所述天线位于所述ITO薄膜(12)上方的中间位置，所述支撑结构位于天线的外侧，在所述ITO薄膜(12)和所述金背板(23)分隔开形成所述空气间隙(20)，所述ITO薄膜(12)上设置施加电压的位置；所述氮化硅薄膜(21)位于所述空气间隙(20)上方，所述硅框架(22)位于所述氮化硅薄膜(21)的上方，所述金背板(23)位于所述硅框架(22)上方；/n所述天线用于入射光相位调控；所述空气间隙(20)用于提供所述金背板(23)变形的空间，所述金背板(23)的最大变形程度为所述空气间隙(20)厚度的三分之一；所述支撑结构用于形成所述空气间隙(20)；所述氮化硅薄膜(21)和所述硅框架(22)用于支撑所述金背板(23)；所述金背板(23)作为正电极且所述ITO薄膜(12)作为负电极构成静电式MEMS系统，所述金背板(23)为活动电极，用于在电压的调控下实现不同程度的凸起形变；所述天线的几何参数根据超表面透镜所需初始焦距、入射光波长和广义斯涅耳定律获取。/n...

【技术特征摘要】
1.一种静电式动态可调反射式变焦超表面透镜，其特征在于，包括：玻璃衬底(11)、ITO薄膜(12)、天线、支撑结构(15)、空气间隔(20)、氮化硅薄膜(21)、硅框架(22)和金背板(23)；
所述ITO薄膜(12)位于所述玻璃衬底(11)上方，所述天线位于所述ITO薄膜(12)上方的中间位置，所述支撑结构位于天线的外侧，在所述ITO薄膜(12)和所述金背板(23)分隔开形成所述空气间隙(20)，所述ITO薄膜(12)上设置施加电压的位置；所述氮化硅薄膜(21)位于所述空气间隙(20)上方，所述硅框架(22)位于所述氮化硅薄膜(21)的上方，所述金背板(23)位于所述硅框架(22)上方；
所述天线用于入射光相位调控；所述空气间隙(20)用于提供所述金背板(23)变形的空间，所述金背板(23)的最大变形程度为所述空气间隙(20)厚度的三分之一；所述支撑结构用于形成所述空气间隙(20)；所述氮化硅薄膜(21)和所述硅框架(22)用于支撑所述金背板(23)；所述金背板(23)作为正电极且所述ITO薄膜(12)作为负电极构成静电式MEMS系统，所述金背板(23)为活动电极，用于在电压的调控下实现不同程度的凸起形变；所述天线的几何参数根据超表面透镜所需初始焦距、入射光波长和广义斯涅耳定律获取。


2.根据权利要求1所述的静电式动态可调反射式变焦超表面透镜，其特征在于，所述天线为金属或硅或二氧化钛或锗。


3.根据权利要求1或2所述的静电式动态可调反射式变焦超表面透镜，其特征在于，所述天线的形状根据偏振无关特性为圆盘形或方形或圆环形，所述天线的形状根据偏振相关特性为条形或椭圆柱形或V形。


4.根据权利要求1至3任一所述的静电式动态可调反射式变焦超表面透镜，其特征在于，所述入射光为红外波段。


5.基于权利要求1所述的静电式动态可调反射式变焦超表面透镜的制备方法，其特征在于，包括：
(1)利用磁控溅射方法在玻璃衬底(11)上方生长ITO薄膜(12)；
(2)利用电子束蒸镀方法在ITO...

【专利技术属性】
技术研发人员：易飞，陈逸堃，侯铭铭，邬灏，郭颂，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42