生产直径近30厘米的薄超表面的新方法

再见镜头，你好超表面。所谓的超表面可以帮助光学系统在未来变得更薄，同时增加其功能。

到目前为止，传统的制造工艺通常只能实现小型超表面，通常小于一平方毫米。弗劳恩霍夫IOF的研究人员现在首次成功使用电子束光刻技术制造出直径近30厘米的超表面，创造了世界纪录。科学家们现已在《微/纳米图案、材料和计量杂志》上发表了他们的方法。

弗劳恩霍夫应用光学与精密工程研究所微纳米结构光学系主任FalkEilenberger博士解释道：“透镜和镜子经历了500年的历史，是时候提前思考了。”所谓的超表面可以是这里的替代方案。这些组件将其完整的光学功能集中在一个表面上，并通过纳米结构在表面上实现该功能。艾伦伯格解释了与经典镜头的区别，“在镜头中，功能是由宏观几何形状定义的。这就是镜头厚且弯曲的原因。现在我们有一个超表面。它很薄，尺度小于光的波长。”

超表面在科学和研究中的应用已经有一段时间了。然而，这里的元件尺寸通常只有几平方毫米。这对于学术研究来说已经足够了，但对于许多工业应用来说还不够，当然也不会成为未来经典镜头的真正替代品。

因此，德国耶拿FraunhoferIOF的研究人员致力于研究如何在更大范围内实现创新超表面的问题。因此，他们现在首次展示了直径为30厘米的超表面。“我们不是超表面的发明者，”艾伦伯格说。“但我们是唯一能够如此大规模地展示它的人。”

高分辨率结构，精度高、效率高

但研究人员是如何实现这一里程碑的呢?答案：借助电子束光刻。“为了生产我们的超表面，我们使用了一种称为字符投影的特殊电子束光刻写入策略，”弗劳恩霍夫IOF研究员、该研究所科学理事会成员UweZeitner教授解释道。字符投影是一种将图案分成更小的单元的方法。然后使用电子束在表面上依次创建这些小图案。这使得能够高精度、高效率地制造复杂结构。

“使用字符投影，可以以相对较高的速度并行曝光非常高分辨率的结构。这对于电子束光刻来说是不寻常的，”Zeitner继续说道。Zeitner教授与他的弗劳恩霍夫同事MichaelBanasch博士和MarcusTrost博士一起在论文中概述了电子束光刻在大面积制造微米和纳米光学器件方面的潜力。

作者表明，传统的光刻技术在制造更大的结构时常常达到其极限。研究人员表示：“由于结构尺寸小于波长，高分辨率电子束光刻技术原则上非常适合元结构的制造。”

“然而，这项技术相对较慢。到目前为止，基本上只能用它实现面积相对较小的元件——主要是几平方毫米的量级。对于较大的面积，曝光时间很快就会达到不切实际的大值。”UweZeitner表示，通过使用字符投影，科学家们现在能够同时解决电子束光刻的高分辨率和大元件区域的问题，而不会导致曝光时间“爆炸”。因此，该论文的作者表明，电子束光刻可以成为一种在大面积上制造微米和纳米光学结构的技术。

尺寸减小的同时功能增加

新的制造技术可以帮助未来构建更薄的光学系统。“这项技术可以彻底改变成像光学系统，”FalkEilenberger说。“因为它将可以减小系统的尺寸，同时增加其光学功能。”

UweZeitner补充道：“如此大的超表面对于在小空间内需要大偏转角的紧凑型光学器件特别有利。例如，在虚拟/增强现实眼镜中就是这种情况。通过这种方法也可以实现有利的设计适用于智能手机中非常小的光学器件。”其他潜在的应用包括高分辨率光谱或计算机生成的全息图。