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与流程

本发明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。

背景技术：

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。

技术实现要素：

针对现有技术的缺陷，本发明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，本发明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，本发明提出了其制备方法，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。

通过本发明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，本发明提出基于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，本发明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，本发明可以通过调节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是本发明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是本发明提供的金天线阵列结构俯视图；

图3是本发明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是本发明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是本发明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是本发明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-玻璃衬底；12-ito薄膜；13-金天线阵列结构；14-第一光刻胶；15-支撑结构；20-空气间隙；21-氮化硅薄膜；22-硅框架；23-金背板。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

如图1所示，本实施例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11、ito薄膜12、金天线13、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；

ito薄膜12位于所述玻璃衬底11上方，金天线13位于ito薄膜12上方的中间位置，所述支撑结构15位于金天线13的外侧，在ito薄膜12和金背板23分隔开形成所述空气间隙20，ito薄膜12上设置施加电压的位置；氮化硅薄膜21位于空气间隙20上方，硅框架22位于氮化硅薄膜21的上方，金背板23位于硅框架22上方；

金天线13用于入射光相位调控；空气间隙20用于提供金背板23变形的空间，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；支撑结构15用于形成所述空气间隙20；氮化硅薄膜21和硅框架22用于支撑所述金背板23；金背板23作为正电极且ito薄膜12作为负电极构成静电式mems系统，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。

本实施例中，ito薄膜12的厚度为100nm，金天线13厚度为100nm，金天线阵列结构的单元周期宽度为2um，空气间隙20厚度为2um，金背板23的厚度为200nm。

反射式超表面结构，通常由天线、中间介质和反射金属背板组成，其中，天线通常为具有一定周期的占空比不同的结构单元组成的阵列，不同的占空比提供不同的相位突变值，使得整个阵列产生不同的相位剖面，最终实现光的聚焦。

常见的天线形状根据偏振无关特性通常由圆盘形、方形和圆环形等，根据偏振相关特性通常由条形、椭圆柱形和v形等，如图2所示，在本实施例中，考虑偏振无关特性，采用圆盘结构，实际上根据所实现的功能，并不限于该形状结构，仍可采用其他结构；天线材料通常包括金属如金、银和铝等或者介质如硅、二氧化钛和锗等，根据入射光的波长可选用不同种类的材料，本实施例中考虑入射光为红外波段，采用天线的材料为金属金，实际根据用途，入射光并不限于红外波段，其他波段也可采用该结构，也不限于该材料，其他材料也可以实现入射光相位调控的功能。

考虑金背板23在电压调控下需要发生形变，因此中间介质为空气，即空气间隙20。

金背板23作为反射镜，可是得入射光发生反射，根据本反射式超表面结构的动态调控特性，在不同电压作用下，金背板23作为活动电极向ito薄膜12固定电极方向发生不同程度的形变，使得反射光场的相位发生变化，以此改变焦点位置。

根据有限时域差分计算法计算获取金天线13单元结构圆盘半径和相位关系，并由设定焦距为50um，入射单色光波长为3.83um，根据广义斯涅耳定律确定今天阵列每个单元结构圆盘的半径。

根据静电场和结构力学有限元算法仿真获取在不同电压下金背板23产生的凸起形变，使得在不同电压下金背板23产生的反射光场相位分布发生改变，最终得到不同电压下超表面透镜的焦距。由图3可知，正入射光波长为3.83um，任意线偏振光在电压0～190v下超表面透镜产生的焦距为50um～67um变化。

基于上述静电式动态可调反射式变焦超表面透镜，本实施例公开了如图4所示的制备方法流程图以及如图5所示的制备方法，包括：

s101利用磁控溅射方法在玻璃衬底11上方生长厚度为100nm的ito薄膜12；

s102利用电子束蒸镀方法在ito薄膜12表面蒸镀50nm的金薄膜13；

s103在步骤s102获取的金薄膜13表面旋涂第一光刻胶14，形成光刻胶面；

s104将金天线阵列结构版图通过电子束曝光设备对步骤s103获取的光刻胶面曝光，形成具有图案的样片；

曝光区为如图5步骤s104斜线阴影区域所示；金天线阵列结构的具体参数由入射光的波长、所需焦距以及广义斯涅耳定律确定；

s105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；如图5步骤s105所示，14记为显影处理后的光刻胶图案；

s106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；如图5步骤s106所示，没有被光刻胶图案14覆盖的金薄膜13部分被刻蚀掉，形成金天线阵列结构；

s107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；如图5步骤s107所示，具有金天线阵列结构的样片表面存在光刻胶14，将其去除，剩下金天线阵列结构；

s108在步骤s107获取的具有金天线阵列的样片表面旋涂su-8光刻胶；如图5步骤s108所示，su-8光刻胶是一种具有绝缘性的比较厚的负光刻胶，可以用于制作微桥的支撑结构15；

本发明可采用su-8光刻胶制作支撑结构15，但是并不局限于采用su-8光刻胶，能制备支撑结构15的光刻胶均可，便于表述，可将这类光刻胶统称为第二光刻胶；

s109对旋涂有su-8光刻胶的样片进行曝光处理；由于su-8为负胶，非曝光区域在后续显影过程中去除，曝光区域将得以保留。因此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；曝光区域如图5步骤s109斜线阴影区域所示；

s110对步骤s109曝光后的样片进行显影处理，获取中空的绝缘支撑结构；如图5步骤s110所示，显影后，图5步骤s110中没有进行曝光的光刻胶区域被显影液去除，曝光的光刻胶区域得以保留，形成如图所示的绝缘支撑结构15，以实现金背板23形变所需的空气间隙20；同时ito薄膜12的部分边缘上面的光刻胶15同样被去除，使得其暴露出来，便于向ito电极馈电；

s201在硅衬底上方蒸镀氮化硅薄膜21，使用硅腐蚀液体在不具有氮化硅薄膜21的一侧向具有氮化硅薄膜的方向进行腐蚀直至氮化硅薄膜21暴露，腐蚀去除硅的中间区域形成硅框架22，并最终形成硅框架氮化硅薄膜窗口；如图5步骤s201所示，硅框架氮化硅薄膜窗口包括氮化硅薄膜21和硅框架22，硅框架22的开窗口正对金天线13，且开窗口大小大于等于金天线13阵列的大小，换句话就是硅框架22是由一整块硅晶体的中间区域腐蚀掉得到的，腐蚀后下方的氮化硅薄膜21暴露；氮化硅薄膜21厚度薄且对较宽光谱具有高透过率，对透射光的光场无影响，因此，氮化硅薄膜21通常作为宽光谱下的透明窗口；硅框架氮化硅薄膜窗口在本发明中主要作为金薄膜23生长的衬底和支撑结构，且对入射光场不产生影响；

s202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23；如图5步骤s202所示，在步骤s201的上表面蒸镀一层金薄膜，其均匀地覆盖在氮化硅薄膜21和硅框架22的上表面，作为活动电极；同时在硅框架氮化硅薄膜窗口上面的金薄膜作为反射镜，将入射光进行反射；并且在金背板23和ito薄膜12电极之间施加电压时，金背板23会向ito薄膜电极方向发生凸起形变，根据电压大小，形成具有不同曲率的凸面镜，使得反射光场的相位发生不同程度的变化，从而实现焦点的改变；

s203将氮化硅薄膜21与支撑结构15固定，完成静电式动态可调反射式变焦超表面透镜的制作。

基于本发明提出的静电式动态可调反射式变焦超表面透镜的制备方法可知，如图6所示，由01方向入射的平行光垂直入射到金天线阵列结构后，根据广义斯涅耳定律确定的金天线阵列结构会产生具有球面波形状的相位剖面，使得光线发生汇聚。当没有施加电压时，金背板为水平状态，入射光经过金天线阵列后，沿实线02方向发生汇聚，经过金背板23反射后，根据斯涅耳定律，沿实线03方向出射，再次经过金天线阵列结构13发生汇聚，最终沿实线04方向出射汇聚为一点；当施加电压时，金背板23沿如图6所示虚线向ito薄膜电机方向发生凸起形变，此时当光线沿01方向无赦，经金天线阵列汇聚后，沿虚线05方向入射到凸起的金背板23上，反射后由于凸面镜的扩散作用，根据斯涅耳定律，沿虚线06方向出射，再次经过金天线阵列汇聚，最终沿虚线07方向汇聚为一点。当电压不同时，金背板23产生的形变程度不同，变现为反射时对光线的反射相位分布产生不同影响，实现焦点的调控。

综上所述，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，本发明提出基于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12和金背板23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。

对于非集成光学系统，传统的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，本发明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。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，本发明可以通过调节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。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。