一种二氧化钛超构透镜和光纤纤芯的集成对准方法及系统

本发明涉及微纳光子学，具体地，涉及一种二氧化钛超构透镜和光纤纤芯的集成对准方法及系统。

背景技术：

1、光纤聚焦技术是实现光学系统小型化、集成化的核心技术，依托光纤传输损耗低、柔性可弯曲、传输距离远的优势，在生物医学活体成像、精密激光微加工、高速光纤通信等领域具备不可替代的应用价值。传统光纤聚焦的实现方式，主要包括光纤端面直接研磨抛光形成球面微透镜、光纤熔融拉锥制备锥型聚焦结构、光纤端面外接玻璃折射微透镜等。然而，随着光学系统向高集成度、高分辨率的方向发展，传统方法逐渐显现出局限性：球面研磨透镜受加工工艺限制，微型化程度存在上限，且易产生球差、色差，聚焦精度难以满足应用需求；熔融拉锥光纤结构机械强度低，易断裂损坏，聚焦性能差；外接折射透镜体积大，无法实现全光纤一体化集成，装配对准难度大，系统集成度低。

2、近年来，超构表面的发展为光纤聚焦提供了全新的解决方案。超构透镜基于亚波长人工结构单元，可对入射光的相位、振幅等参数进行精确调控，从而可以构建聚焦所需的相位分布。与传统聚焦透镜相比，超构透镜具有二维化的特点，能够解决传统曲面透镜无法进一步小型化、微型化的问题。因此，当前已有一些将超构透镜转移至光纤端面上的案例，但多数为金属材料超构表面，这些金属超构表面在可见光波段对于电磁波的欧姆损耗较高，作为聚焦透镜而言，效率较为低下。与金属超构表面相对的是介质超构表面，介质超构表面所采用的介质材料如二氧化钛等，在可见光至近红外波段具备高折射率（折射率约2.4-2.6）、低光学吸收损耗和优异的化学稳定性、机械稳定性等特性，可以有效降低器件光学损耗，提升聚焦效率。目前，已有将介质超构透镜与光纤端面集成的相关研究，但将其直接应用于光纤聚焦场景时，现有的集成方案仍存在一些无法克服的缺点，具体如下：

3、1.介质超构透镜与光纤端面的集成对准工艺复杂，透镜聚焦效率低下。

4、2.介质超构透镜和光纤纤芯的对准难题：超构透镜和光纤纤芯的对准精度直接影响光纤输出模场和透镜相位的模式匹配，位置上的失配会造成聚焦效率的显著降低。

5、因此，亟需一种能够提高介质超构表面与光纤端面集成结构的聚焦效率的集成对准方法。

技术实现思路

1、为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种二氧化钛超构透镜和光纤纤芯的集成对准方法及系统。

2、本发明上述目的通过如下技术方案实现：

3、一种二氧化钛超构透镜和光纤纤芯的集成对准方法，包括如下步骤：

4、s1.在衬底表面涂覆光刻胶层，根据铜牺牲层的图案进行曝光和显影，在光刻胶层表面形成铜牺牲层图案的凹槽后沉积铜牺牲层，随后除去多余光刻胶；所述铜牺牲层的图案为菲涅尔波带环，所述菲涅尔波带环中包括多个同心圆环，所述同心圆环的内外半径满足，其中为同心圆环的半径数值，n为正整数；n为单数时，为外径数值；n为双数时，为内径数值；

5、s2.在步骤s1所得铜牺牲层表面涂覆厚度为700-1000 nm的pmma胶，随后根据二氧化钛超构透镜的图案对pmma胶进行曝光和显影，所述二氧化钛超构透镜包括若干个纳米圆柱体，其中任意两相邻纳米圆柱体之间圆心的距离为280-350 nm；显影后得到设有凹槽的pmma胶，在凹槽中沉积二氧化钛，得到二氧化钛超构透镜；所述pmma胶的固含量为7-10wt%；

6、s3.去除pmma胶表面的二氧化钛，随后通过波长为的准直光使步骤s2所得二氧化钛超构透镜的中心与光纤纤芯端面的中心对准，将光纤纤芯端面与二氧化钛超构透镜通过紫外固化胶固化贴合，形成集成结构；

7、s4.将步骤s3所得集成结构浸泡在fecl3溶液中去除衬底与铜牺牲层，即可在光纤纤芯端面制备得到二氧化钛超构透镜。

8、本技术所提供的集成对准方法，将铜牺牲层设计成了可以利用衍射效应来透射成像的结构，基于此，本技术可以在利用准直光实现超构透镜和光纤集成时的精准定位，提高超构透镜与光纤纤芯的对准精度，避免出现位置偏差。在此基础上，超构透镜阵列结构与光纤纤芯微小位置偏差能够充分发挥超构透镜聚焦功能，因此本技术可以实现光纤表面超构透镜聚焦效率的极大提高。

9、需要说明的是，本技术步骤s1中选用的铜牺牲层的图案，需要是同心圆环内外半径与准直光波长满足一定公式关系的菲涅尔波带环（其中包括一个中心圆与多个与中心圆同圆心的同心圆环），由此才能在确保精准定位，且该结构能够确保铜牺牲层后续容易被去除。因此，该结构可以充分提高本技术集成结构的聚焦效率。公式中，n为1时得到的外径数值即菲涅尔波带环中心圆的半径数值。

10、需要说明的是，本技术步骤s2中需要选用特定固含量的pmma胶形成700-1000 nm厚度的光刻胶层，对应于超构透镜所需的纳米柱高度，而纳米柱之间的距离要求在300-350nm范围内。本技术的发明人经过实验研究发现，在选用特定光刻胶的前提下，特定结构的超构透镜能够减少高阶衍射的影响，在此基础上特定的厚度能够提高透镜的聚焦效率，由此，本技术可以充分实现超构透镜聚焦效率的最大提升。

11、需要说明的是，本技术中选用的铜牺牲层，在后续使用时应被除去，避免影响聚焦。本技术的发明人发现，在fecl3溶液浸泡即可除去ito衬底与铜牺牲层。

12、在本技术的具体实施方式中，所述pmma胶的固含量指的是溶质pmma聚合物在溶剂苯甲醚的质量分数。

13、优选地，步骤s1所述衬底包括厚度10-15nm的ito（氧化铟锡）玻璃。

14、优选地，步骤s1所述光刻胶包括固含量为2-5 wt%的pmma胶。

15、优选地，步骤s1所述光刻胶层的厚度为100-500 nm。

16、优选地，步骤s1所述涂覆采用旋涂的方式进行，所述旋涂的转速为1000-3000rpm，时间30-90 s。

17、更优选地，所述旋涂后还包括热处理的步骤，所述热处理的温度为150-200℃，时间为10-20 min。

18、上述热处理的目的主要是去除光刻胶中多余的溶剂。

19、优选地，步骤s1中采用电子束光刻的形式对光刻胶层进行曝光，所述电子束光刻的曝光所用电流为30-50 na，电压为80-120 kv，对应图形发生器频率为20-40 mhz。

20、优选地，步骤s1所述显影包括：采用甲基异丁基酮/异丙醇混合溶剂浸泡30-90 s，随后采用异丙醇浸泡5-40 s。更优选地，所述甲基异丁基酮/异丙醇混合溶剂中甲基异丁基酮和异丙醇的体积比为1：（1-5）。

21、优选地，步骤s1所述铜牺牲层的厚度为100-150 nm。

22、优选地，步骤s1所述沉积铜牺牲层采用热蒸镀的方式进行，所述热蒸镀的镀率为1-2 å/s。

23、优选地，步骤s1采用浸泡在去胶液中的方式除去多余光刻胶，所述去胶液包括n-甲基-2-吡咯烷酮。更优选地，所述浸泡在去胶液中的时间为4-8 h。

24、在本技术的具体实施方式中，所述pmma胶的厚度指的是由铜牺牲层表面至pmma胶表面的距离。在本技术的具体实施方式中，pmma胶的厚度与二氧化钛超构透镜中纳米圆柱体的高度保持一致。

25、优选地，步骤s2所述根据二氧化钛超构透镜的图案对pmma胶进行显影时，利用波长为的准直光使二氧化钛超构透镜图案的中心与铜牺牲层的中心对准。

26、优选地，步骤s2所述纳米圆柱体的径向横截面半径为30-150 nm。

27、更优选地，步骤s2所述纳米圆柱体的径向横截面半径满足公式；式中，x、y为超构透镜平面内的位置坐标（nm），λ为光线在介质中的波长（nm），f为设计超构透镜的焦距（nm），φ为超构透镜在该位置所需的目标相位（rad）。

28、优选地，步骤s2所述涂覆采用旋涂的方式进行，所述旋涂的转速为1000-3000rpm，时间30-90 s。

29、更优选地，所述旋涂后还包括热处理的步骤，所述热处理的温度为150-200℃，时间为20-30min。

30、优选地，步骤s2中采用电子束光刻的形式对pmma胶进行曝光，所述电子束光刻的曝光所用电流为3-5 na，电压为80-120 kv，对应图形发生器频率为2-4 mhz。

31、优选地，步骤s2所述显影包括：采用甲基异丁基酮/异丙醇混合溶剂浸泡30-90 s，随后采用异丙醇浸泡5-40 s。更优选地，所述甲基异丁基酮/异丙醇混合溶剂中甲基异丁基酮和异丙醇的体积比为1：（1-5）。

32、优选地，步骤s2所述采用原子层沉积法沉积二氧化钛，所述原子层沉积工艺采用的反应前驱体为四(二甲氨基)钛，氧化剂为h2o，反应气体为n2。更优选地，所述反应气体的流速为5-15 sccm。

33、优选地，步骤s3中通过反应等离子刻蚀法去除pmma胶表面的二氧化钛。

34、优选地，所述反应等离子刻蚀法在sf6/ar混合气氛下进行，其中sf6的流速为12-18sccm，ar的流速为10-30 sccm。

35、优选地，步骤s3中500 nm≤≤600 nm。

36、优选地，步骤s3所述紫外固化胶包括丙烯酸酯类固化胶。

37、更优选地，步骤s3中采用350-450 nm的uv光照射5- 15 s使紫外固化胶固化。

38、优选地，步骤s4所述fecl3溶液的质量分数为42-48 wt%。

39、优选地，步骤s4所述浸泡的时间为36-48 h。

40、本发明还保护一种二氧化钛超构透镜和光纤纤芯的集成系统，自上而下依次包括设置的光纤夹持器、超构表面夹持器、长焦物镜、激光准直器和激光光源，所述光纤夹持器与第一5d位移台固定连接，所述超构表面夹持器与第二5d位移台固定连接，所述长焦物镜与3d位移台固定连接；所述第一5d位移台、第二5d位移台和3d位移台中均设置有通孔供准直光通过。

41、和现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

42、本发明所提供的二氧化钛超构透镜和光纤纤芯的集成对准方法，先在衬底上形成具有特定菲涅尔波带环图案的铜牺牲层，随后在牺牲层表面形成二氧化钛超构透镜，最后将超构透镜远离衬底的一侧与光纤端面通过紫外固化胶贴合。通过以特定图案的牺牲层作为后续的对准基础，本发明可以实现二氧化钛超构透镜图案与光纤端面的精确定位，提高对准精度，配合特定的超构透镜结构，本发明可以实现光纤端面超构表面聚焦效率的提高。