超透鏡（metalenses）是一種能夠操縱光線的納米人工結(jié)構(gòu)，它提供了一種可以顯著縮小傳統(tǒng)光學(xué)元件尺寸和厚度的技術(shù)。該技術(shù)在近紅外區(qū)域尤其有效，在各種應(yīng)用中大有可為，例如被稱為 "自動(dòng)駕駛汽車的眼睛 "的激光雷達(dá)、微型無(wú)人機(jī)和血管探測(cè)器。

盡管潛力巨大，但目前的技術(shù)需要數(shù)千萬(wàn)韓元才能制造出指甲蓋大小的超透鏡，這給商業(yè)化帶來(lái)了挑戰(zhàn)。幸運(yùn)的是，最近的一項(xiàng)突破表明，其生產(chǎn)成本有望降低千分之一。

由浦項(xiàng)科技大學(xué)（POSTECH）機(jī)械工程系和化學(xué)工程系的 Junsuk Rho 教授等人組成的合作研究小組（POSCO-POSTECH-RIST Convergence Research Team）提出了兩種批量生產(chǎn)超透鏡和在大表面上制造超透鏡的創(chuàng)新方法。他們的研究成果發(fā)表在《激光與光子學(xué)評(píng)論》（Laser & Photonics Reviews）上。

光刻法是利用光在硅晶片上刻印圖案來(lái)制造超透鏡的一種工藝，是制造超透鏡的一個(gè)步驟。通常情況下，光的分辨率與波長(zhǎng)成反比，也就是說(shuō)，波長(zhǎng)越短，分辨率越高，從而能制作出更精細(xì)、更詳細(xì)的結(jié)構(gòu)。在這項(xiàng)研究中，研究小組選擇了深紫外光刻技術(shù)，這是一種使用較短波長(zhǎng)紫外線的工藝。

研究小組最近利用深紫外光刻技術(shù)實(shí)現(xiàn)了可見光區(qū)超透鏡的量產(chǎn)，相關(guān)論文發(fā)表在《自然·材料》上。然而，由于現(xiàn)有方法在紅外區(qū)域的效率較低，因此出現(xiàn)了挑戰(zhàn)。

為了解決這一限制，研究小組開發(fā)了一種在紅外區(qū)域具有高折射率和低損耗的材料。這種材料被集成到現(xiàn)有的大規(guī)模生產(chǎn)工藝中，從而在 8 英寸的晶片上成功制造出直徑為 1 厘米的大型紅外超透鏡。

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值得注意的是，該透鏡的數(shù)值孔徑（NA）高達(dá) 0.53，凸顯了其卓越的光收集能力和接近衍射極限的高分辨率。圓柱形結(jié)構(gòu)進(jìn)一步使其具有偏振無(wú)關(guān)性，確保了無(wú)論光振動(dòng)方向如何都能發(fā)揮出色的性能。

在第二種方法中，研究小組采用了納米壓印技術(shù)，這是一種利用模具印制納米結(jié)構(gòu)的工藝。該工藝?yán)�用了通過(guò)與 RIST 合作研究積累的納米壓印技術(shù)訣竅。

研究小組成功地在一塊 4 英寸的晶片上批量生產(chǎn)出了直徑為 5 毫米的超透鏡，該超透鏡由大約一億個(gè)矩形納米結(jié)構(gòu)組成。值得注意的是，這種超透鏡表現(xiàn)出令人印象深刻的性能，孔徑達(dá)到 0.53。它的矩形結(jié)構(gòu)具有偏振依賴特性，能有效地響應(yīng)光的振動(dòng)方向。

在這一成果的基礎(chǔ)上，研究小組集成了高分辨率成像系統(tǒng)，以觀察洋蔥表皮等真實(shí)樣本，從而驗(yàn)證了超透鏡商業(yè)化的可能性。

這項(xiàng)研究克服了傳統(tǒng)的逐個(gè)超透鏡生產(chǎn)過(guò)程的局限性，具有重要意義。它不僅有助于根據(jù)特定應(yīng)用定制具有偏振相關(guān)和無(wú)關(guān)特性的光學(xué)設(shè)備，還能將超透鏡的生產(chǎn)成本最多降低1000倍。

Junsuk Rho 教授說(shuō)："我們實(shí)現(xiàn)了在晶圓上精確、快速地生產(chǎn)高性能超透鏡，其尺寸達(dá)到了厘米級(jí)。我們的目標(biāo)是讓這項(xiàng)研究加快超透鏡的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，促進(jìn)高效光學(xué)設(shè)備和光學(xué)技術(shù)的進(jìn)步。"

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論文鏈接：https://dx.doi.org/10.1002/lpor.202300929