Металинза со сверхвысокой числовой апертурой в видимом диапазоне длин волн

Для субволнового формирования изображений необходимо использовать линзы с высокой числовой апертурой (NA) совместно с иммерсионными жидкостями, чтобы достичь максимально возможного разрешения. На фоне недавних впечатляющих достижений в области метаповерхностей, обеспечивших эффективную фокусировку и новые способы формирования пучка, ведется активная разработка металинз со сверхвысокой NA. Наибольшее продемонстрированное на сегодняшний день значение NA составляет 1,1 и было достигнуто с помощью металинзы из TiO2 с задней иммерсией. В данной работе представлены разработка и экспериментальная демонстрация металинзы на основе кристаллического кремния (c-Si), обладающей высокой NA и высоким пропусканием в видимом диапазоне. Более высокий показатель преломления кремния по сравнению с TiO2 позволяет дополнительно увеличить NA. В конструкции используется подход геометрической фазы, также известный как фаза Панчатнама–Берри (P–B), а расположение наноблоков определяется с помощью гибридного алгоритма оптимизации (HOA). Продемонстрирована металинза с NA = 0,98 в воздухе, полосой пропускания (полной шириной на половине максимума, FWHM) 274 нм и эффективностью фокусировки 67% на длине волны 532 нм, что близко к характеристикам пропускания металинзы из TiO2. Кроме того, что является уникальным результатом, нашу металинзу можно погружать в иммерсионное масло со стороны фронтальной поверхности; при этом экспериментально достигается сверхвысокая NA = 1,48, а теоретически — 1,73. Таким образом, насколько нам известно, это наибольшее значение NA среди всех металинз в видимом диапазоне, опубликованное на сегодняшний день. Процесс изготовления полностью совместим с микроэлектронной технологией и поэтому пригоден для масштабирования. Мы полагаем, что конструкция с фронтальной иммерсией будет полезна для создания металинз со сверхвысокой NA и иммерсионных дублетов металинз, способствуя внедрению метаповерхностей в практические приложения, такие как высокоразрешающая конфокальная микроскопия с низкой стоимостью и ахроматические линзы.