红外焦平面阵列在各类红外成像系统中发挥着巨大的作用。为提升红外焦平面的工作温度、量子效率和灵敏度，通常使用微透镜阵列作为红外焦平面的聚光器。近年来，将红外焦平面与位于探测器衬底的球面聚光器进行单片集成得到广泛关注，其中微透镜由探测器衬底材料制成(浸没式微透镜阵列)，这为微透镜与焦平面的单片集成提供了一种新的方案。
微纳光学领域中的超表面是一种新型光学器件，它是由离散的亚波长结构单元组成的二维平面结构。通过精细设计超表面内各个结构单元以及阵列单元的布局，可以使超表面器件对入射电磁波的振幅、相位和偏振等自由度进行灵活调控。目前，多种利用超表面技术开发出的新型光学器件已被应用在各种领域，除了超表面透镜、光束偏折器、定向表面波耦合器之外，还包括一系列具有复杂相位分布的平面光学器件，如超震荡透镜、涡旋光束产生器、涡旋光分束器、全息器件]等。其中，超表面透镜是超表面研究和应用的一个重要方向，因为透镜不仅是一种经典的光学元件，而且相比于传统的光学透镜，超透镜的最大优势在于其在拥有很好光学性能的同时具有极薄的厚度。
当前微透镜阵列的制作材料通常与红外探测器材料不同，因此在集成装配时需要额外的工艺手段，工艺难度较大且效率较低。利用微纳光学超表面技术体系，可以在红外探测器衬底材料上直接制作平面式的固体浸没型微透镜阵列，实现前置微透镜与红外焦平面的单片集成。
据麦姆斯咨询报道，近日北京信息科技大学研究员岳嵩等人在《红外与激光工程》期刊上发表了以“固体浸没式红外超表面透镜设计”为主题的论文。该课题组主要从事表面等离激元超材料与全介质超表面，硅基光子集成器件开发和传感、计算应用研究，新型低维半导体光电材料外延与光电器件等方面的研究工作。
该论文主要以红外探测领域最有潜力的锑化物Ⅱ类超晶格红外探测器为应用目标，设计了一种基于GaSb衬底的偏振不敏感固体浸没式红外超表面透镜。设计的超表面透镜在中波红外波段工作，能适用于所有入射偏振。器件设计焦距为100μm，理论上在目标波长下的最高聚焦效率达到70.7%，数值孔径(NA)达到1.15。
该研究理论设计并数值模拟研究了基于GaSb衬底的固体浸没式红外超表面透镜，通过对结构单元周期P、介质柱直径D和介质柱高度H的参数化扫描，分析了上述几何参数对于超表面结构单元光学性能的影响，并筛选出各设计波长下的最佳结构单元数据，进而构建了超表面透镜整体器件。整体器件厚度不超过2.6μm，远小于现有红外焦平面探测器前置微透镜的典型尺寸。由于采用固体浸没式的设计，聚焦光斑的尺寸小于入射波长，有望大大提升红外焦平面器件的光能利用效率。通过对超表面透镜在设计波长±0.5μm范围内的色散特性进行研究，发现设计的超表面器件拥有负色散特性。
固体浸没式超透镜设计可推动微透镜阵列向扁平、超薄、轻量的方向发展，简化微透镜阵列与红外焦平面阵列的集成工艺，有望提升红外焦平面的探测效率，并降低制造成本，从而推动红外探测器整体性能的提升。
该项目获得国家自然科学基金(61905273)、北京市科技新星(Z191100001119058)、北京市教委科技计划一般项目(KM202111232019)、北京高等学校高水平人才交叉培养“实培计划”项目、高等学校学科创新引智计划资助（先进光电子器件与系统学科创新引智基地，D17021）的支持。
