科學(xué)家提出了加速超構(gòu)透鏡技術(shù)商業(yè)化的新方法

晶圓級近紅外超透鏡的制造和使用該技術(shù)捕獲的洋蔥表皮的高分辨率圖像。來源:POSTECH

超透鏡是一種能夠操縱光的納米人造結(jié)構(gòu)，它提供了一種技術(shù)，可以顯著減小傳統(tǒng)光學(xué)元件的尺寸和厚度。這項技術(shù)在近紅外區(qū)域特別有效，在被稱為“自動駕駛汽車之眼”的激光雷達(dá)、微型無人機(jī)和血管探測器等各種應(yīng)用中都有很大的應(yīng)用前景。雖然有潛力，但目前的技術(shù)需要數(shù)千萬韓元才能制造指甲大小的超構(gòu)器，這對商業(yè)化來說是一個挑戰(zhàn)。幸運的是，最近的一項突破表明有希望將其生產(chǎn)成本降低千分之一。

浦項工業(yè)大學(xué)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融合研究小組)提出了兩種創(chuàng)新的方法，用于大規(guī)模生產(chǎn)超透鏡和在大表面上制造它們。他們的研究發(fā)表在《激光與光子學(xué)評論》上。光刻技術(shù)是一種利用光在硅片上刻印圖案的工藝，是制造超透鏡的一個步驟。通常，光的分辨率與其波長成反比，這意味著波長越短，分辨率越高，從而能夠制造出更精細(xì)、更詳細(xì)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(shù)，這是一種使用波長更短的紫外線的工藝。該研究小組最近利用深紫外光刻技術(shù)實現(xiàn)了可見光區(qū)超透鏡的大規(guī)模生產(chǎn)，發(fā)表在《自然材料》雜志上。然而，現(xiàn)有方法在紅外區(qū)域的效率較低，這也帶來了挑戰(zhàn)。

為了解決這一限制，該團(tuán)隊開發(fā)了一種具有高折射率和低紅外區(qū)域損耗的材料。這種材料被整合到已建立的大規(guī)模生產(chǎn)過程中，從而成功地在8英寸晶圓上創(chuàng)建了直徑為1厘米的大型紅外超構(gòu)透鏡。

值得注意的是，該鏡頭擁有0.53的數(shù)值孔徑(NA)，突出了其出色的集光能力以及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關(guān)性，無論光振動方向如何，都確保了優(yōu)異的性能。

在第二種方法中，該團(tuán)隊采用了納米壓印，這是一種允許使用模具打印納米結(jié)構(gòu)的過程。該工藝?yán)昧思{米壓印技術(shù)的專有技術(shù)，通過與RIST合作研究積累。這一努力被證明是成功的，因為該團(tuán)隊成功地大規(guī)模生產(chǎn)了直徑為5毫米的超構(gòu)透鏡，在4英寸的晶圓上由大約1億個矩形納米結(jié)構(gòu)組成。特別值得一提的是，這種超透鏡的孔徑達(dá)到了0.53，表現(xiàn)出了令人印象深刻的性能。其矩形結(jié)構(gòu)具有偏振依賴特性，能有效響應(yīng)光的方向振動。

在這一成就的基礎(chǔ)上，該團(tuán)隊集成了一個高分辨率成像系統(tǒng)來觀察洋蔥表皮等真實樣品，驗證了將超透鏡商業(yè)化的可能性。

該研究克服了傳統(tǒng)逐個超構(gòu)透鏡制作工藝的局限性，具有重要意義。它不僅有利于創(chuàng)造具有偏振依賴和非偏振特性的光學(xué)器件，而且還將超透鏡的生產(chǎn)成本降低了1000倍。

Rho Junsuk教授表示:“我們已經(jīng)在晶圓尺度上實現(xiàn)了高性能超透鏡的精確和快速生產(chǎn)，達(dá)到了厘米的尺寸。我們的目標(biāo)是通過這項研究加速超透鏡的工業(yè)化，促進(jìn)高效光學(xué)器件和光學(xué)技術(shù)的發(fā)展。"