一种相位梯度超表面及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及纳米光子学，表面等离激元光子学，激光原理，光通信技术，调频连续波激光雷达技术，纳米加工技术，具体涉及一种可实现调频连续波激光雷达切向扫描的相位梯度超表面及其制备方法。

背景技术

上世纪60年代，随着世界上第一台激光器的成功研制，世界各国掀起了激光研究的热潮。毫无例外，激光雷达技术作为一门新兴技术也逐渐发展起来。相比于传统的微波雷达，激光雷达体积小、质量轻、准直性高、抗干扰能力强、安全性高、分辨率更高、更适合低空探测，被广泛的应用在测距、3D建模和测绘领域中。

新世纪以来，自动驾驶行业的迅速发展对激光雷达提出了更高的要求，因为它是自动驾驶汽车的必备组件，决定着自动驾驶行业的发展水平。现行的机械式激光雷达虽然技术成熟，可360°全方位扫描，但是也伴随着配置复杂、价格昂贵、不易集成等问题。在当今集成化的潮流中，混合/全固态激光雷达的概念逐渐发展起来，MEMS微振镜、光学相控阵、Flash和调频连续波法是四条主流技术路线：MEMS微振镜技术相对成熟、尺寸小、成本低、可靠性高，但是寿命短，有效距离短，信噪比低；基于光学相控阵的激光雷达经久耐用，可控性好，扫描速度快，可多目标监控，但是对工艺要求非常高，致使成本高居不下，而且扫描角度有限；Flash激光雷达工作原理类似相机，只需一次快闪就可以捕捉到环境信息，避免了对环境的扫描，但是视场角度有限，探索距离短，探测精度低；调频连续波(FMCW,FrequencyModulated Continuous Wave)激光雷达不仅能测距，而且能利用多普勒原理测速度，灵敏度高、抗干扰能力强、保密性好、不存在串扰问题，但是不能探测切向运动目标，而且系统成本高、功耗高。此外，由于自动驾驶的需求牵引，激光雷达的波段集中在近红外波，例如905nm和 1550nm,因为水对红外光有很强的吸收，所以这类激光雷达只能应用在陆地上，不能应用于水下。

通过整体分析，不难发现FMCW激光雷达的性能要优于另外三种方案，非常有可能成为下一代激光雷达技术。在商业界，各大公司已经注意到FMCW技术的潜力，逐渐开始展开行动，例如2019年，自动驾驶公司Aurora将研发调频连续波激光雷达的Blackmore公司收购。

超表面是在超材料的基础上发展而来的，是一种人工合成的由亚波长尺寸的纳米天线周期性排列而成的二维材料，可以实现聚焦、成像、全息、异常反射等功能，大大提高了人们对光的操控能力。与光栅、透镜等传统的光学元件相比，超表面对光相位的操控并非依靠光在空间中传播产生的相位积累，而是通过引入相位突变，在亚波长的范围内即可实现对相位的改变，因而体积小、质量轻、便于集成化。如果将超表面应用到FMCW激光雷达中，超表面凭借自身结构简单、无源、便于集成、精度高等特性必将很大程度上促进FMCW激光雷达的小型化、节能化、商业化。

发明内容

针对上述分析，为了解决FMCW激光雷达不能切向探测、能耗高的问题，本发明设计了一种基于梯形对复合单元结构的超表面，可以实现多路光束反射扫描，并调控光束之间的能量比例。

本发明提供的技术方案如下：

一种相位梯度超表面，基于梯形对复合结构，其包括三层材料，底层是厚金属层，可以把入射光全部反射，避免透射损失；中间层是透明介质层，把上下两层金属隔离开；顶层是金属材质的平面阵列，由复合梯形对单元周期性排列而成，所述复合梯形对单元为两个梯形相互套构而成，包括两个梯形在x方向排列的同向梯形对结构、对尾梯形对结构(两个梯形的下底边相对)、对头梯形对结构(两个梯形的上底边相对)，以及两个梯形在y方向排列的交错梯形对结构。w

本发明所提出的超表面均是无源的，所以可以降低系统能耗，并且将超表面固有的体积小、质量轻、结构简单等特点引入FMCW激光雷达系统中，促进了整个系统的小型化。本发明进一步提供了相位梯度超表面在FMCW激光雷达系统中的应用，即对于复合梯形对单元为同向梯形对结构，超表面反射光对称分布在+1级与+2级；对于复合梯形对单元为对尾梯形对结构，其是在x方向是对称，凭借梯形间的强耦合使得超表面反射光对称分布在+1级与-1级。对于复合梯形对单元为对头梯形对结构，凭借梯形间的耦合，使得单束正入射光可以产生4 束等能量的异常反射光，分布在±1级和±2级，相比于两束探测光，可以扫描更大的范围，更加全面的分析测试结果。对于复合梯形对单元为交错梯形对结构，由两个梯形在纵向反向排列，成像中心对称，所以超表面反射光对称分布在+2级与-2级。通过调整复合梯形对单元中两个梯形的间距l，实现增加目标扫描范围的光强，提高信噪比与探测精度。

本发明进一步提供超表面的制备方法，包括如下步骤：

(1)制备底层金属：入射激光的波长如果在可见光范围内，一般选用银、铝两种材料，如果在红外波段，一般选用金材料，要求金属衬底厚度d

(2)制备中间层透明介质：介质层可选用二氧化硅、氟化镁、氟化钙等常用的透明介质材料。介质隔离层厚度30nm≤d

(3)图像化：所设计的周期性排列的复合梯形对单元通过甩胶(正胶)、前烘、电子束曝光、显影、定影、后烘等步骤得到。通过版图设计，确定复合梯形对单元中两个梯形的上底w

(4)图形转移：通过电子束蒸镀，剥离，最终得到顶层金属，顶层金属的厚度 20nm≤d

(5)聚焦离子束刻蚀：当0nm＜l＜60nm时，在电子束蒸镀的过程中并不能对如此小的间隔敏感，所以会导致预设的间隔仍然被金属覆盖，此时利用聚焦离子束来刻蚀掉多余的金属，精确控制复合梯形对直径的间隔。当l≥60nm或l＝0nm时，间隔足够宽或没有间距，并不需要聚焦离子束来刻蚀。

本发明至少具有以下技术优势：

(1)无源低耗。所设计超表面属于无源器件，不需要额外提供能量，不需要附加控制系统，成本低、耗材少。

(2)工艺简单。本发明所需工艺流程简单通用，与现代Si基CMOS工艺相兼容，加工效率高，便于批量生产。

(3)便于集成。所提超表面体积小，质量轻，结构简单，无复杂系统。

(4)定量分光。通过调整l的大小，控制多路反射光束的能量比，可以定量控制出射能量。

(5)定向偏转。通过调整结构的周期，可以实现特定波长的特定角度偏转。

(6)扫描范围大。如果有合适的激光光源，两路或多路异常反射光可以大角度扫描空间，解决了FMCW激光雷达不能探测横向物体的劣势。

(7)应用范围广。通过数值仿真确定结构参数后，本发明所提超表面可以适用于可见光波段和红外波段，可以应用于陆地和水下。

(8)测量精度高。多路异常反射光不仅增大了扫描范围，而且可以相互参考，相互对照，综合分析得出测量结果。

附图说明

图1是本发明相位梯度超表面在FMCW激光雷达系统中的应用以及该超表面的结构和功能示意图，其中α为入射面，w

图2是本发明复合梯形对单元由两个梯形相互套构而成的示意图。

图3是本发明具体实施例中同向梯形对结构的相位仿真结果与反射光远场分布的仿真结果。

图4是本发明具体实施例中具有不同间距l的同向梯形对结构在580nm波长下的实测场强相对值和两级光束场强的比值。

图5是本发明具体实施例中对尾梯形对结构的样品扫描电子显微镜照片及其实测远场强度分布。

图6是本发明具体实施例中对头梯形结构的样品扫描电子显微镜照片及其实测远场强度分布。

图7是交错梯形对超表面的结构示意图和仿真远场光强分布结果。

图8是聚焦离子束加工示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。所述实施例仅为示例性的，并不意欲将依据本发明的设计和制备方法限定在实施例所述的材料、图形、条件或者过程参数内。

本发明相位梯度超表面在FMCW激光雷达系统中起到大范围扫描的作用，其结构和功能如图1所示。其中，本发明相位梯度超表面，为梯形对复合结构，包括三层材料，底层是厚金属层，中间层是透明介质层，顶层是金属材质的复合梯形对单元周期性排列而成平面阵列，复合梯形对单元具体如图2所示，包括：x方向排列的两个梯形构成的梯形对结构，分别是同向梯形对结构、对尾梯形对结构(两个梯形的下底边相对)、对头梯形对结构(两个梯形的上底边相对)，以及在y方向排列的两个梯形构成的交错梯形对结构，w

以同向梯形对结构为例，P

其中θ

对于对尾梯形对结构例子，P

对于对头梯形对结构例子，P

对于交错梯形对结构例子，P

本发明所提出的可实现多路光束异常反射的相位梯度超表面是基于由金属—介质层—金属三层结构组成，顶层金属为复合梯形对单元周期性排列而成，它们的工艺流程与现有技术相比，除图形化时曝光的图形不同以外，还增加了聚焦离子束刻蚀，即当0nm＜l＜60nm时，在电子束蒸镀的过程中并不能对如此小的间隔敏感，所以会导致预设的间隔仍然被金属覆盖，此时利用聚焦离子束来刻蚀掉多余的金属，精确控制复合梯形对直径的间隔，如图8所示。当l≥60nm或l＝0nm时，间隔足够宽或没有间隔，并不需要聚焦离子束来刻蚀。

实施例1：

(1)确定参数。通过数值仿真，逐步优化各个参数：w

(2)沉积底层金属。通过磁控溅射的方法，在100W功率下，溅射Al靶材50min，可以在Si片上沉积得到150nm的铝薄膜。

(3)沉积中间层。通过磁控溅射的方法，在120W功率下，溅射SiO

(4)图像化。曝光版图中复合梯形对单元为对尾梯形对结构，以6000r/s的速度旋涂 AR-P6200.09正光刻胶，膜厚约100nm，在150℃热板上烘1min，在Voyager电子束曝光系统中，采用180μC/cm

(5)蒸镀顶层金属。通过电子束镀膜仪蒸20nm的铝膜，然后在AR 600-71剥离液中浸泡30min，超声5min，最后用去离子水清洗。

(6)表征与测试，该实施例中复合梯形对单元排列的SEM照片和测试结构如图5所示。

实施例2：

(1)确定参数。通过数值仿真，逐步优化各个参数：w

(2)沉积底层金属。通过电子束蒸镀的方法沉积180nm铝薄膜。

(3)沉积中间层。通过PECVD沉积50nm SiO

(4)图像化。曝光版图中复合梯形对单元为对头梯形对结构，其余与实施例1中的步骤(4)相同。

(5)图形转移。通过电子束镀膜仪蒸镀30nm的铝膜，然后在AR 600-71剥离液中浸泡30min，超声5min，最后用去离子水清洗。

(6)表征与测试。结构的SEM照片和测试结构如图6所示。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同限定。