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论文基本信息：

论文基本信息：

标题：
On-chip integration of achromatic metalens arrays

作者：
Yao Zhang（哈尔滨工业大学（深圳））；
Xiong Jiang（哈尔滨工业大学（深圳））；
Geyang Qu（哈尔滨工业大学（深圳））；
Jing Han（哈尔滨工业大学（深圳））；
Chen Li（哈尔滨工业大学（深圳））；
Baichuan Bo（哈尔滨工业大学（深圳））；
Qifeng Ruan（哈尔滨工业大学（深圳））；
Zhengtong Liu（鹏城实验室）；
通讯作者 宋清海（哈尔滨工业大学（深圳））；
通讯作者 肖淑敏（哈尔滨工业大学（深圳））

发表时间：
2025年8月12日（其中2024年12月12日投稿，2025年7月23日接收）

发表期刊：
Nature Communications（JCR-Q1，IF=15.7）

论文重要图文：

摘要：宽带消色差超构透镜及超构透镜阵列有望在紧凑的外形中实现高性能光学成像。传统可见光消色差超构透镜由透明高折射率二氧化钛或氮化镓纳米柱构成，但在主流硅基互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺中受到严重限制。本文报道了可见光波段高效氮化硅消色差超构透镜的实现及其在商用成像芯片上的集成。通过改进纳米制造技术，我们将氮化硅纳米结构的纵横比从约17显著提高到43.33的高值。因此，氮化硅纳米结构的群延迟显著增加，数值孔径为0.155的氮化硅超构透镜平均聚焦效率达到80.39%。由于氮化硅与CMOS工艺的兼容性，此类高质量超构透镜已与商用成像传感器集成，并展示了全色光学成像能力。该研究为芯片集成超构器件迈出了关键一步。

图1 | 氮化硅消色差超构透镜的设计与性能。a 宽带氮化硅消色差超构透镜的示意图，展示了集成成像原理。b 所设计超构透镜四分之一区域的布局，边缘处放大显示了十个基本构建单元。c 数值孔径为0.155的宽带消色差超构透镜所需的群延迟（实线）和氮化硅超构单元提供的群延迟值（圆点）。d 超构透镜在不同波长下的数值计算焦距。e 超构透镜在不同波长下的数值计算效率（圆点）和实验测量效率（方形），超构透镜直径固定为30 μm。

图2 | 高质量氮化硅纳米结构的制备。a 纳米制造工艺流程示意图。b 不同占空比光栅阵列的倾斜视图扫描电子显微镜图像，每个纳米脊的宽度从65 nm减小到30 nm。

图3 | 实验制备的数值孔径为0.155的氮化硅超构透镜。a、b 不同分辨率下消色差超构透镜的顶视扫描电子显微镜图像，可清晰识别不同类型的超构单元。c 超构透镜的对应倾斜视图扫描电子显微镜图像。d、e 不同波长下x-z平面和x-y平面的焦斑强度分布，白色虚线表示数值计算焦距，底部面板显示沿直径方向的归一化强度分布，所有强度分布使用相同的比例尺。

图4 | 使用数值孔径为0.155的消色差超构透镜成像。a-f 消色差超构透镜在不同波长下记录的1951年美国空军分辨率靶标第7组5号和6号元素的图像，所有图像使用相同的比例尺。g-i 未经颜色校正的消色差超构透镜形成的全色图像。

图5 | 超构透镜阵列的光场成像。a 超构透镜阵列的顶视光学显微镜图像。b 单个超构透镜的高分辨率顶视光学显微镜图像。c-e 25个独立单超构透镜的测量平均聚焦效率、焦距和数值孔径。f 消色差超构透镜阵列获取的原始光场图像。g 经过颜色失真校正和背景减除的渲染图像，（1-4）分别代表原始图像不同放大率的位置。

论文快览：

解决的问题：
光学系统对超紧凑集成透镜的需求推动了超透镜研究，但传统可见光消色差超透镜依赖TiO₂或GaN纳米柱，与硅基CMOS工艺不兼容。Si₃N₄虽具备CMOS兼容性，但其纳米制造技术此前仅能实现10-17的纵横比，导致群延迟范围受限，聚焦效率不足（36-55%），高性能Si₃N₄消色差超透镜仍为技术空白。

提出的方法：
采用等离子体增强化学气相沉积在200°C沉积1300nm厚Si₃N₄薄膜，结合电子束光刻与感应耦合等离子体蚀刻工艺，通过动态调整CHF₃与O₂的蚀刻气体比例（从12.5降至7.2），形成各向异性蚀刻，制备出纵横比达43.33的Si₃N₄纳米柱结构。设计包含正方形、圆形、十字形等十种元单元，构建覆盖460-650nm波长的相位与群延迟调控库，实现消色差聚焦。

实现的效果：
所制备Si₃N₄消色差超透镜在数值孔径0.155下平均聚焦效率达80.39%，460-650nm波长范围内焦距稳定在97.33μm（变化<5%），焦斑半高宽接近衍射极限，Strehl比0.88。5×5超透镜阵列与商用CMOS传感器集成后，实现无重叠子图像采集，全色成像分辨率达2.19μm，无需色彩补偿即可还原真实色彩。

创新点分析：
首次突破Si₃N₄纳米结构的高纵横比制造瓶颈（43.33），解决了传统材料与CMOS工艺的兼容性矛盾。通过低温工艺（<250°C）直接在成像芯片表面制备超透镜，避免对传感器性能的损伤，为大规模量产芯片集成超器件提供可行路径。实验验证Si₃N₄在可见光消色差聚焦中的高性能潜力，填补了CMOS兼容高效消色差超透镜的技术空白。

• Zhang, Y., Jiang, X., Qu, G. et al. On-chip integration of achromatic metalens arrays. Nat Commun 16, 7485 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-62539-7

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