潮科技 | 超表面技術取得突破,有望讓鏡頭更薄、更輕、成本更低

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編者按：本文來自微信公眾號「MEMS」（ID：MEMSensor），作者麥姆斯諮詢王懿，原文題目《超表面的大規模量產方法亮相，有望革新智慧型手機鏡頭》，36氪經授權發布，略有刪減。

據麥姆斯諮詢報導，瑞典查爾姆斯理工大學（Chalmers University of Technology）研發的技術為超表面（metasurfaces）生產製造提供更加簡便的方法，從而使得超薄透鏡的量產接近現實。

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近些年，光學技術取得了巨大進步：智慧型手機攝像頭可與數碼單眼相機相媲美，這歸功於更小、更高性能的傳感器和其它電子組件，但鏡頭（透鏡）本身的變化相對較小。在過去的十年中，研究人員開始研究超表面（metasurfaces）技術，期望革新現有的透鏡。

超表面是指一種厚度小于波長的人工層狀材料，可以通過亞波長的微結構來調控電磁波的偏振、相位、振幅、頻率等特性，是一種結合了光學與納米科技的新興技術。超表面可視為超材料的二維對應。

雖然，超表面是一些熱門光學應用（如雷射雷達）的「誘人」材料，但是，迄今為止，超表面的製造仍然涉及昂貴且複雜的工藝，阻礙了其廣泛應用。

據麥姆斯諮詢報導，瑞典查爾姆斯理工大學的研究項目現已開發出一種新方法來製造相位梯度（phase-gradient）超表面，旨在減少加工時間和所涉及的安全隱患。這項工作發表在ACS Photonics上。

「目前，超表面需採用要求很高的工藝製造而成，這些工藝通常涉及透明電介質的沉積，然後再進行光刻、沉積、蝕刻等步驟。」該項目研究人員在發表的論文中寫道，「我們研發了一種經濟有效的替代材料平臺和製造方法——易用、可擴展且基於無害化學物質，能夠極大地加速基於超表面的光學元件的發展進程及產業影響。」

該研究團隊的解決方案涉及在半導體製造工藝中使用一種標準的負性光刻膠材料，該材料可以通過電子束曝光變硬。如果使用合適的掩模來圖形化材料，則負性光刻膠自身就可以形成超表面，從而將製造工藝流程限制為基本上僅需單步光刻。

尤其是，該項目明確了：使用現有的負性光刻膠材料及新的製造方法，可以實現通往「聚合物超表面」之路。這是一類對光學應用具有吸引力的超材料，但迄今為止尚未得到廣泛探索。

該研究團隊的新方法包括將所選的聚合物負性光刻膠材料旋塗到玻璃板上，然後通過單次電子束光刻曝光對其進行圖形化，以在表面生成高深寬比的納米鰭（nanofin）結構，從而可以產生超材料的行為。

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新方法通過電子束光刻技術進行負性光刻膠材料的圖形化。宏觀尺寸的超表面透鏡可以在幾個小時內製作完成，這比任何現有的基於EBL的方法都快得多。

由負性光刻膠材料製成的雙折射納米鰭（nanofin）可用於超表面

大規模量產超表面

瑞典查爾姆斯理工大學的丹尼爾·安德烈（Daniel Andren）表示：「我們可以在塑料薄膜上製作複雜的圖形，這種塑料薄膜在顯影之後將構成超表面。「最終製造出的光學元件可以像普通相機鏡頭一樣匯聚光線，但它的厚度要薄數千倍，並且也可以靈活使用。」

為了檢驗新方法，該研究團隊在實驗室利用一個下午就製造出直徑為1釐米的凸透鏡，該透鏡由超過6億個獨立的納米級元件組成。然後，在直徑為400微米的物體上進行的成像試驗表明，所得的圖像清楚地顯示了目標物體的最佳細節。

該研究團隊還構建了具有異常反射特性的光柵和圓柱形超透鏡，這表明該製造方法與柔性塑料支架和作為襯底的金屬鏡都兼容。

由負性光刻膠材料製成的透射式超透鏡，用於聚焦和成像

在柔性襯底和反射襯底上製作的超表面

該方法可能對創建平面消色差光學元件特別有價值。根據該研究團隊的說法，聚合物的折射率色散通常較低，這可能使其成為此類光學元件的合適材料。去年，哈佛超材料實驗室的先驅——費德裡科·卡帕索（Federico Capasso）創造了一種由非對稱納米鰭（nanofins）組成的消色差超透鏡，能夠將光聚焦在可見光譜範圍內而不會出現像差，這再次證明了這種消色差超材料的潛力。

「我們的新方法可能是邁向大規模量產超表面的重要一步。」瑞典查爾姆斯理工大學物理系Ruggero Verre評論道，「這就是我們努力實現的目標。超表面可以創造不同的光學應用效果，並提供各種技術實現的可能性。最好的還在後面，敬請關注。」