文章來源：LightScienceApplications???

原文作者：Light新媒體

光學(xué)操控技術(shù)已成為諸多應(yīng)用領(lǐng)域中的有力工具，它的蓬勃發(fā)展也使得學(xué)界對(duì)光學(xué)器件小型化的需求日益增長(zhǎng)。因此，以超表面和衍射光學(xué)元件為代表的平面透鏡技術(shù)由于其相對(duì)傳統(tǒng)衍射光學(xué)器件極小的厚度而得到廣泛關(guān)注。然而這些小型化器件的制造工藝紛繁復(fù)雜且價(jià)格昂貴，這使得平面透鏡的產(chǎn)業(yè)化與批量化生產(chǎn)受到很大的限制。??????

研究背景????

光學(xué)操控技術(shù)是現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)的基石，隨著集成光學(xué)與微納光學(xué)的蓬勃發(fā)展，實(shí)現(xiàn)光學(xué)操控的光學(xué)元件也向小型化和集成化方面提出迫切需求。超表面成為最突出的平面透鏡技術(shù)。超表面由亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)組成，利用定制的亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的微觀光學(xué)響應(yīng)來調(diào)制透射光的振幅和相位。

為了制造出可見光范圍內(nèi)工作的超表面透鏡，需要構(gòu)建百納米級(jí)別的微結(jié)構(gòu)。實(shí)現(xiàn)超透鏡2π范圍的相位差調(diào)制功能，微結(jié)構(gòu)的高寬比往往相當(dāng)大，而這需要使用高分辨率的光刻技術(shù)和更專業(yè)化的刻蝕技術(shù)。現(xiàn)如今，如納米壓印光刻、雙光子聚合打印以及通過灰度激光曝光制作等方式可用來降低制造超透鏡的工藝難度，但實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)依舊前路漫漫。目前工業(yè)上用于大規(guī)模生產(chǎn)的最具競(jìng)爭(zhēng)力的微加工方法是使用步進(jìn)式光刻機(jī)的光刻技術(shù)。然而，這種方法需要在光刻之后進(jìn)行后處理，例如高分辨率刻蝕。

菲涅爾波帶片(FZP)是一種衍射光學(xué)元件，它由一系列具有交替透明和不透明區(qū)域的同心圓環(huán)組成，這些圓環(huán)起到衍射光柵的作用，能夠在某些點(diǎn)上產(chǎn)生相干疊加，從而實(shí)現(xiàn)入射波的聚焦。FZP的核心優(yōu)勢(shì)在于其不需要大寬高比的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)相位調(diào)制，F(xiàn)ZP的厚度僅取決于在不透明區(qū)域阻擋或吸收光所需的材料量。因此FZP成為使用步進(jìn)式光刻機(jī)大規(guī)模生產(chǎn)平面透鏡的有力候選者。

彩色光刻膠是一種紫外線固化樹脂，含有吸收劑以屏蔽特定波長(zhǎng)的可見光。經(jīng)紫外線曝光的部分會(huì)被固化，而未經(jīng)紫外線曝光的未固化部分可溶于堿性顯影液中，從而可以形成具有吸收特性的微結(jié)構(gòu)。由于彩色光刻膠在某些波長(zhǎng)下具有高吸收性，因此微觀彩色光刻膠圖案可以制成包括FZP在內(nèi)的振幅型衍射光學(xué)元件。

創(chuàng)新研究????

如由于光刻最小線寬決定了透鏡性能，通過降低線寬即可增大數(shù)值孔徑、減小聚焦光斑的尺寸。團(tuán)隊(duì)采用吸收特定波長(zhǎng)光的彩色光刻膠(紅：RED-101、綠：JSSG-9135、藍(lán)：BLUE-105)作為FZP的不透明材料，根據(jù)其吸收光譜設(shè)計(jì)工作波長(zhǎng)，如紅膠制造650 nm、藍(lán)膠制造450 nm、綠膠制造550 nm的FZP透鏡(如圖1a,b,c,g)。首先，在玻璃基板旋涂彩色光刻膠，然后用i線步進(jìn)光刻機(jī)曝光，最后通過顯影即可得到所設(shè)計(jì)的FZP平面透鏡(圖1d,e,f)。以綠膠為例，在8英寸玻璃基板制成多個(gè)FZP圖案，透鏡直徑、厚度因膠而異，光阻擋率良好，邊緣線寬可達(dá)1.1 μm(圖1k)。

圖1. FZP平面透鏡及其加工工藝

隨后，團(tuán)隊(duì)使用顯微鏡成像系統(tǒng)測(cè)試FZP平面透鏡的聚焦特性，紅、藍(lán)、綠膠FZP透鏡分別被450 nm、550 nm、650 nm光照射，聚焦光斑均可達(dá)到1 μm左右，且光斑的空間聚焦效果良好(如圖2)。

圖2. FZP透鏡聚焦輪廓測(cè)量系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

最后，通過用FZP透鏡(550 nm)對(duì)USAF 1951分辨率板進(jìn)行成像，可清晰識(shí)別測(cè)圖中的第7組元素，且放大后的圖像顯示能成功分辨第8組中1.1 μm線寬的元素，證明該FZP平面透鏡在成像方面也具有廣泛的應(yīng)用前景(如圖3)。

圖3. 波長(zhǎng)550 nm下的FZP透鏡的成像結(jié)果

總結(jié)與展望????

展示了一種利用彩色光刻膠制作平面菲涅爾波帶片(FZP)透鏡的簡(jiǎn)單的大規(guī)模制造技術(shù)。通過該技術(shù)制造的菲涅爾波帶片(FZP)平面超透鏡可用于可見光的聚焦和成像，且實(shí)驗(yàn)得到的光斑尺寸明顯小于其他同類FZP透鏡的光斑尺寸，與業(yè)內(nèi)先進(jìn)的振幅型FZP透鏡的聚焦效率相當(dāng)。此制造技術(shù)在光學(xué)聚焦及成像方面都有優(yōu)異的性能，具有很高的應(yīng)用潛力，對(duì)進(jìn)一步發(fā)展實(shí)用且成本效益高的平面透鏡制造技術(shù)有重要的創(chuàng)新意義和參考價(jià)值。未來通過設(shè)計(jì)利用光刻膠材料的透明區(qū)域來制造相位型FZP透鏡，理論上聚焦效率可以再提高四倍。