面向中波红外焦平面成像阵列的超构透镜设计和仿真
2025-11-29 21:30:20 来源：麦姆斯咨询评论：0 点击：

研究人员提出了一种专为中波红外碲镉汞（HgCdTe）焦平面阵列定制的超构透镜阵列的设计与仿真方法，旨在提升其成像系统的性能。未来工作聚焦于这些设计的实验验证，并扩展超构透镜在多光谱与偏振敏感成像系统中的应用能力。

基于单层超构材料（metamaterial）与超构表面（metasurface）的新型平面光学元件为微透镜（microlens）阵列引入了一种新方法。这些元件有望与基于窄带隙半导体的红外焦平面阵列（FPA）无缝集成，从而提高器件工作温度并改善成像灵敏度。

据麦姆斯咨询报道，近期，西澳大学、澳大利亚国立大学、墨尔本大学、亚利桑那大学的研究人员组成的团队提出了一种专为中波红外（MWIR）碲镉汞（HgCdTe）焦平面阵列定制的超构透镜（metalens）阵列的设计与仿真方法，旨在提升其成像系统的性能。研究人员对硅（Si）和锗（Ge）超构透镜进行了建模，并将它们与球面透镜进行了比较，由于Ge具有更高的折射率，其所需的纵横比比Si更小，从而简化了制造流程。仿真结果表明，通过将纳米柱间距缩减至1 µm、提升相位分布精度并最小化高阶衍射损耗，与像元配准的平面超构透镜可实现与传统球面透镜相当的聚焦效率。这些发现凸显了定制超构透镜在推进红外成像技术方面的潜力，并为通过与微透镜阵列集成来优化成像阵列性能提供了实用的见解。上述研究成果以“Design and Simulation of Metalens Arrays for Enhanced MWIR Imaging Array Performance”为题发表于Journal of Electronic Materials期刊。

如图1a、1b和1c所示，微透镜将入射光聚焦到每个像元内部更小的中心区域，从而有效减少实现高效光吸收所需的p-n结面积。这同时降低了二极管暗电流并减少像元间串扰，使器件在维持相同性能的情况下能够在更高温度下工作，并提升探测器灵敏度。球面透镜、衍射透镜或新兴的平面超构透镜均可作为像元上光学聚光器。

不同的红外焦平面阵列（IR-FPA）像元架构

图1 不同的红外焦平面阵列（IR-FPA）像元架构

近年来，单层平面超构透镜（即超构表面）因其与平面半导体制造工艺的高度兼容性（可实现大规模晶圆级生产）而备受关注。超构透镜的聚焦功能通过亚波长结构产生空间变化的相位延迟来实现。通过调控每个纳米柱的几何形状，超构透镜能够生成期望的相位分布，使透射波前经相长干涉在焦点处会聚。除了相位调控之外，超构透镜还可通过设计不同几何结构的超构原子（meta-atom）来调控振幅与偏振。这种多功能调控能力推动了成像、偏振光学、光通信、原子俘获、光计算、图像处理和非线性光学等领域的进展。此外，超构透镜具备实现高度复杂各向异性双折射的优势，使其能够以独特方式调控光的偏振态。在红外应用中，平面超构透镜可以被设计为独立调制线偏振红外光的x和y分量，如图1d所示，从而拓展偏振敏感成像的可能性。

优化超构透镜性能高度依赖于电磁波仿真，尤其是严格耦合波分析（RCWA），通过全波仿真捕捉波前与超构原子几何结构之间的复杂交互作用，这对于实现高性能超构透镜设计至关重要。RCWA是一种频域方法，用于分析光与分层周期结构的相互作用。其原理是将电磁场分解为傅里叶分量，并求解相应方程，以确定光的透射、反射和吸收量。

图2b显示了仿真中使用的超构透镜阵列布局。每个超构透镜单元之间由5 µm的不透明间隙掩模分隔，以便更容易观察超构透镜中的高阶衍射效应。为了评估超构透镜与HgCdTe（MCT）吸收层组合时的表现，将CdZnTe（CZT）层优化为5 µm厚，在5 µm厚、截止波长为5.2 µm的中波红外HgCdTe层中，最大限度地提高2 µm直径区域内的吸收。

（a）焦平面阵列上集成微透镜的成像系统的示意图；（b）中波红外HgCdTe焦平面阵列上集成的超构透镜阵列示意图

图2（a）焦平面阵列上集成微透镜的成像系统的示意图；（b）中波红外HgCdTe焦平面阵列上集成的超构透镜阵列示意图

实现用于相位采样的超构原子的常见方法包括截断波导（TW）、几何相位单元以及惠更斯（Huygens）纳米天线，每种方法都有其独特的优势和局限性。本研究重点探讨了TW超构透镜，因为与其他类型相比，TW超构透镜通常能够提供更高的聚焦效率和更宽的工作带宽。在TW超构透镜中，纳米柱作为超构原子，起到相移器的作用。对于对偏振不敏感的应用，通常采用立方柱或圆柱等对称形状，而对于偏振敏感的应用，则采用矩形柱等非对称形状。

为了实现完整的2π相位偏移，所需的纳米柱高度可以估算为H ≈ λ/Δ_neff，其中Δ_neff表示由于纳米柱直径相对于纳米柱间距变化而引起的有效折射率变化范围。因此，为实现完整的2π相位偏移，较小的纳米柱间距通常需要更高的纳米柱。在本研究中，并未使用CdZnTe（n = 2.7）作为超构透镜材料，而是选择了Si和Ge，因为它们具有较高的折射率、在中波红外范围内的透明性，以及与现有纳米加工工艺的良好兼容性。

纳米柱的周期性排布需要同时满足亚波长条件和相位采样要求。超构透镜通常作为一阶衍射透镜工作。为了在CdZnTe层（n = 2.7）中实现对4.25 µm波长光的最佳聚焦，纳米柱的间距应小于λ/n ≈ 1.6 μm。

在本研究中，研究人员使用开源RCWA软件对不同设计的超构透镜进行了建模。如图3所示，在λ = 4.25 µm的垂直入射条件下，计算了对偏振不敏感的纳米圆柱的相位和透射率数据（周期性条件下）。超构透镜的构建基于前述聚焦参数所需的相位分布。随后进行了全面的超构透镜仿真，以评估其宽带性能和角度响应，旨在面向中波红外成像焦平面阵列的实际应用。

（a）相位偏移与（b）透射率随Si（n = 3.45）或Ge（n = 4）纳米柱直径变化的关系

图3（a）相位偏移与（b）透射率随Si（n = 3.45）或Ge（n = 4）纳米柱直径变化的关系

在图4a中，研究人员对三种基于Si的设计（Si-M1、Si-M2 和 Si-M3）在λ = 4.25 µm下的截面光子通量分布进行了比较，这三种设计分别采用不同的纳米柱间距：1.5 µm、1.25 µm和1 µm。对应的三种超构透镜的聚焦分布如图4b所示，在CdZnTe/HgCdTe界面处获得。在三种设计中，具有最大纳米柱间距（1.5 µm）的Si-M1展现了最低的聚焦效率（约40%），原因在于其0–2π相位采样能力受限。相比之下，纳米柱间距更小的Si-M3（1 µm，远小于λ/n）能够更准确地复现相位分布，并将高阶衍射损耗降至最低，从而显著提高聚焦效率（约70%）。

具有不同纳米柱间距的超构透镜设计

图4 具有不同纳米柱间距的超构透镜设计

与GRIN透镜等连续介质不同，纳米柱波导的有效折射率随波长变化，从而会产生色差。因此，对于中波红外微透镜，需要对其光谱带宽性能进行仔细评估。数值孔径（NA）较高的超构透镜通常包含更多菲涅耳区，并会受到更明显的色差影响，这会缩小其工作带宽，并需要更精细的纳米柱设计以进行校准。对于NA = 1.5的设计，Ge超构透镜主要仅涵盖中央菲涅耳区，从而有效缓解宽带工作中的色差问题。因此，为λ = 4.25 µm设计的Ge超构透镜能够在3.5–5 µm的中波红外范围内有效聚焦光线。

图5a显示了Ge超构透镜在不同波长（3.5 µm、4.25 µm和5 µm）下的光子通量分布。在较短波长3.5 µm时，可观察到高阶衍射损耗，其散射特征明显可见。图5b对比了在宽带中波红外波段（3.5–5 µm）内，直径2 µm、厚度5 µm的MCT吸收区域的吸收效率。Ge超构透镜在设计波长4.25 µm时实现了最大吸收，并且在较长波长下的性能优于Si-M3。

超构透镜在中波红外波段的性能