科学家提出新方法加速超透镜技术商业化

超透镜（metalenses）是一种能够操纵光线的纳米人工结构，它提供了一种可以显著缩小传统光学元件尺寸和厚度的技术。该技术在近红外区域尤其有效，在各种应用中大有可为，例如被称为 "自动驾驶汽车的眼睛 "的激光雷达、微型无人机和血管探测器。

尽管潜力巨大，但目前的技术需要数千万韩元才能制造出指甲盖大小的超透镜，这给商业化带来了挑战。幸运的是，最近的一项突破表明，其生产成本有望降低千分之一。

由浦项科技大学（POSTECH）机械工程系和化学工程系的 Junsuk Rho 教授等人组成的合作研究小组（POSCO-POSTECH-RIST Convergence Research Team）提出了两种批量生产超透镜和在大表面上制造超透镜的创新方法。他们的研究成果发表在《激光与光子学评论》（Laser & Photonics Reviews）上。

光刻法是利用光在硅晶片上刻印图案来制造超透镜的一种工艺，是制造超透镜的一个步骤。通常情况下，光的分辨率与波长成反比，也就是说，波长越短，分辨率越高，从而能制作出更精细、更详细的结构。在这项研究中，研究小组选择了深紫外光刻技术，这是一种使用较短波长紫外线的工艺。

研究小组最近利用深紫外光刻技术实现了可见光区超透镜的量产，相关论文发表在《自然·材料》上。然而，由于现有方法在红外区域的效率较低，因此出现了挑战。

为了解决这一限制，研究小组开发了一种在红外区域具有高折射率和低损耗的材料。这种材料被集成到现有的大规模生产工艺中，从而在 8 英寸的晶片上成功制造出直径为 1 厘米的大型红外超透镜。

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值得注意的是，该透镜的数值孔径（NA）高达 0.53，凸显了其卓越的光收集能力和接近衍射极限的高分辨率。圆柱形结构进一步使其具有偏振无关性，确保了无论光振动方向如何都能发挥出色的性能。

在第二种方法中，研究小组采用了纳米压印技术，这是一种利用模具印制纳米结构的工艺。该工艺利用了通过与 RIST 合作研究积累的纳米压印技术诀窍。

研究小组成功地在一块 4 英寸的晶片上批量生产出了直径为 5 毫米的超透镜，该超透镜由大约一亿个矩形纳米结构组成。值得注意的是，这种超透镜表现出令人印象深刻的性能，孔径达到 0.53。它的矩形结构具有偏振依赖特性，能有效地响应光的振动方向。

在这一成果的基础上，研究小组集成了高分辨率成像系统，以观察洋葱表皮等真实样本，从而验证了超透镜商业化的可能性。

这项研究克服了传统的逐个超透镜生产过程的局限性，具有重要意义。它不仅有助于根据特定应用定制具有偏振相关和无关特性的光学设备，还能将超透镜的生产成本最多降低1000倍。

Junsuk Rho 教授说："我们实现了在晶圆上精确、快速地生产高性能超透镜，其尺寸达到了厘米级。我们的目标是让这项研究加快超透镜的产业化进程，促进高效光学设备和光学技术的进步。"

相关链接：https://phys.org/news/2024-03-scientists-methods-commercialization-metalens-technology.html

论文链接：https://dx.doi.org/10.1002/lpor.202300929