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)光學元件尺寸和厚度的技術。該技術在近紅外區(qū)域尤其有效，在各種應用中大有可為，例如被稱為 "自動駕駛汽車的眼睛 "的激光雷達、微型無人機和血管探測器。

盡管潛力巨大，但目前的技術需要數(shù)千萬韓元才能制造出指甲蓋大小的超透鏡，這給商業(yè)化帶來了挑戰(zhàn)。幸運的是，最近的一項突破表明，其生產(chǎn)成本有望降低千分之一。

由浦項科技大學（POSTECH）機械工程系和化學工程系的 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《激光與光子學評論》（Laser & Photonics Reviews）上。

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

研究小組最近利用深紫外光刻技術實現(xiàn)了可見光區(qū)超透鏡的量產(chǎn)，相關論文發(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 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)進一步使其具有偏振無關性，確保了無論光振動方向如何都能發(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，這是一種利用模具印制納米結(jié)構(gòu)的工藝。該工藝利用了通過與 RIST 合作研究積累的納米壓印技術訣竅。

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，能有效地響應光的振動方向。

在這一成果的基礎上，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樣本，從而驗證了超透鏡商業(yè)化的可能性。

這項研究克服了傳統(tǒng)的逐個超透鏡生產(chǎn)過程的局限性，具有重要意義。它不僅有助于根據(jù)特定應用定制具有偏振相關和無關特性的光學設備，還能將超透鏡的生產(chǎn)成本最多降低1000倍。

Junsuk Rho 教授說："我們實現(xiàn)了在晶圓上精確、快速地生產(chǎn)高性能超透鏡，其尺寸達到了厘米級。我們的目標是讓這項研究加快超透鏡的產(chǎn)業(yè)化進程，促進高效光學設備和光學技術的進步。"

相關鏈接：https://phys.org/news/2024-03-scientists-methods-commercialization-metalens-technology.html

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