什么是超透镜？超透镜的制造及其应用

1.什么是超透镜?

超透镜利用介电表面上的亚波长“超原子”图案来控制入射光。具体而言，超原子图案会改变入射光束的相位分布，从而导致光束弯曲(重定向)。超原子是微小的纳米级结构，具有不同的形状和大小，其在透镜上的位置是任意的，旨在控制光的相互作用。虽然超透镜中的“透镜”一词意味着这些元件能够像传统透镜一样用于聚焦光线，但业界一直使用超透镜这个术语来涵盖相位控制所提供的广泛功能。

为了实现这种相位控制，超透镜需要在超原子的折射率和周围材料的折射率之间实现较大差异。超透镜的材料取决于相关应用的目标波长范围，其中，材料吸收应当尽可能小，并且制造技术能够满足特征尺寸要求。例如，硅通常被认为可用于激光雷达传感器等近红外(IR)应用，而对于二氧化钛、氮化镓和氮化硅，则可考虑将其用于可见波长范围内的摄像头应用。

2.超透镜的制造

制造方法将决定超透镜设计中可能使用的超原子图案。目前的制造方法包括：

电子束光刻技术：利用聚焦电子束在基板上创建纳米级图案，在纳米制造中提供了卓越的精度以及多功能性。这种方法主要用于研究应用，因为它不适用于超透镜的大规模生产。

DUV光刻技术：利用深紫外线(DUV)光将复杂的图案转印到感光材料上。这使其成为半导体制造中用于高分辨率图案的关键技术。

纳米压印光刻技术：涉及将带有预定义纳米结构的模具压制到基板上。这为高精度纳米级图案复制提供了一种经济高效且可扩展的方法。

上述所有方法都支持在曲面XY平面中灵活定义超原子图案，但它们对Z轴方向变化的支持能力有限。因此，许多当前的超透镜设计都是基于二元形状，其中的超原子图案在Z轴上是均匀的，但在XY平面上是任意的。

此外，制造方法还会影响超透镜材料的选择。例如，光刻制造适合使用半导体制造中常用的硅或其它材料。纳米压印光刻技术还会使用不同类型的UV或热固化环氧树脂。

总而言之，超透镜为低成本大规模制造带来了挑战，因为它们将用于相位控制的小特征尺寸以及用于数值孔径/光束尺寸的大尺寸相结合。我们仍处于超透镜制造的早期阶段，因此尚不了解某些材料系统或制造流程能否提供半导体和光子集成电路(PIC)行业所实现的规模经济。然而，在某些应用领域，相对于传统光学元件而言，使用薄型超透镜的优势可能超过其成本挑战，特别是与先进技术(如医疗内窥镜)的系统成本相比。

3.超透镜的应用

在任何需要减小系统中光学元件的尺寸和重量的情况下，超透镜都有用武之地。其中包括用于自动驾驶汽车和面部识别系统中的3D传感的激光雷达、内窥镜和显微镜等医疗设备、红外和机器视觉摄像头等监控系统、手机摄像头、CMOS图像传感器及AR/VR设备等显示和成像系统以及全息图。

审核编辑 黄宇