超表面技术新突破，助推超薄透镜研发

2020-07-20 11:49

传统光学元件通常通过其形状或材料组成获得操纵光的能力。另一方面，有些光学元件可以用一种完全不同的方法来操纵光，这种方法基于物理学上称的超表面。这些元件也能够改变可见光的偏振、相位或振幅，但要做到这一点，需要使用一个平面超薄的纳米表面。

在各种光学系统应用中，使用基于超表面的组件似乎是一种很有吸引力的选择。这是由于他们为体积庞大的折射光组件和波片等普通光学元件提供了超薄的替代品。然而，到目前为止，超表面制作步骤昂贵、耗时、复杂还拥有潜在危险，阻止了基于超表面组件的广泛商业化。

为了解决这些问题，瑞典查尔莫斯理工大学一组由Daniel Andren领导的研究团队正在开发一种生产超表面的新方法。该论文发表在ACS Photonics上。

研究人员首先采用了一种现成的标准负阻材料（聚合物抗蚀剂材料），然后将其旋转涂覆在玻璃板上用单电子束光刻曝光对其进行制版，在表面生成所需的高纵横比纳米结构。正确制版后，这种抗蚀剂材料就能够生成超表面，大大简化了生产过程，基本上成为一个单一的光刻步骤。通过这种方法，制作处理所需的时间和费用以及任何相关的安全危险都可以大大减少。

为了验证这项技术的原理，该团队制作了一种与球面透镜等效的平面光学原型。该光学原型展示了窄聚焦和高分辨率成像。更具体地说，研究人员创造了肉眼可见的1厘米直径的正透镜，由6亿多个纳米级元素组成。经测试后研究人员发现该光学元件能产生一幅能显示出目标物体最精细细节的图像，——就像普通相机镜头一样，只是光学元件要薄几千倍。其他测试表明，超表面是有效的，偏振转换效率大于50％，具有横跨整个可见波长光谱的功能。

该团队还制作了两个光栅的原型，分别是异常反射光栅和超表面柱面透镜。此外他们在原型中选择了各种类型的基板，为了证明这种制造方法同时适用于柔性塑料和金属镜面基板。

经可靠性测试表明，超表面是稳定的，并且可以在标准环境条件下保持至少6个月而没有任何明显的退化。稳定性方面，研究人员证明这种超表面能够承受至少高达100摄氏度的温度。在532nm连续激光光源产生的5 W／cm2相对高的光强下，超表面的性能没有明显的下降。

研究人员预计，他们的方法最终会促进平面光学元件成为大块光学的有力竞争者。