哈佛大学：聚焦深紫外光刻技术，“纳米制造”的超透镜为空间科学创造新机遇

超透镜已被用于对组织的微观特征进行成像，并解析小于光波长的细节，现在超透镜的尺寸正在变得更大。

为实现对太阳、月球和遥远的星云的高分辨成像，哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院的研究员研制出直径为100 mm的全玻璃超透镜（图1），该技术克服了光刻工具的曝光面积限制，也是首款可采用传统CMOS制造技术批量生产的可见光波长的全玻璃、大尺寸超透镜。使用最先进的半导体代工工艺在前所未有的大型平面透镜上精确控制数百亿纳米柱尺寸的能力是一项纳米制造壮举，为空间科学和技术开辟了新机遇。该研究成果发表在 ACS Nano 上。

深紫外（DUV）投影光刻通常用于对智能手机和计算机的硅芯片中的细线和形状进行图案化，Capasso联合他的团队利用DUV投影光刻的技术开发了一种厘米级别超透镜，这项技术可以完成投射并形成可直接在玻璃晶圆上蚀刻纳米结构图案，克服了以往超透镜写入和沉积的时间消耗过程。

通常生产大量精确的大尺寸工程元件被限制在数毫米尺寸。目前，多数平面超透镜依旧利用数百万个柱状纳米结构来聚焦光线，大小限制在闪光片规格。Capasso团队的Joon-Suh Park证明了DUV投影光刻技术不仅可以用于大规模生产超透镜，还可以增加其尺寸，以便在虚拟现实和增强现实中应用。

该论文的共同第一作者Park表示，DUV光刻工具有很大的局限性，而光刻技术主要用于制造计算机芯片，因此，芯片尺寸限制在20-30 mm范围内。尽管该技术虽然可以增加超透镜尺寸，但是在天文学和自由空间光通信中需要使用更大尺寸的超透镜，此时需要找到一种新技术来解决新的工程问题。

Park及其团队提供了一种新思路，利用DUV投影光刻工具将几种纳米柱图案“拼接”在一起。研究人员基于旋转对称性，将透镜分成25个部分，每个部分为20×20 mm的面积，之所以选择奇数个的阵列，是为了确保超透镜的中心与离散化截面的中心重合，这可以防止因超透镜中心附近离散场的拼接而导致的光沿光轴不必要的散射，避免降低成像质量；由于方位对称性，仅使用一个象限的7个部分。实验过程中，他们发现DUV 投影光刻可以在几分钟内将187亿个设计的纳米结构图案化到100 mm的圆形区域上。此外，研发小组又开发出一种垂直玻璃蚀刻技术，为了能在玻璃上蚀刻出纵横比高、侧壁光滑的纳米柱。

SEAS的博士后研究员、该论文的另一共同第一作者Soon Wei Daniel Lim说，由于对应CMOS代工工具在行业中可靠程度越来越高、性能逐步完善，再搭配使用相同的DUV投影光刻技术，就可以在更大的玻璃直径晶圆上生产更大直径、像差校正的超光学器件，或是更大的超透镜。

此外，Soon Wei Daniel Lim 在全面仿真和表征大规模制造过程中可能出现的所有制造错误，以及它们如何影响超透镜的光学性能方面发挥了主要作用。研究人员分别分析了制造误差（不符合临界尺寸标准、纳米柱直径的变化和因蚀刻过程导致纳米柱高度的误差）、表征误差、非均匀光照强度对成像质量和效率的影响。其中一些误差是这种大面积超表面特有的，这为制造超透镜提供了公差依据。

图2 (a) 包含超透镜的天文成像仪的照片；(b) 采集的太阳图像；(c) 采集的北美星云图像；(d) 采集的月球图像

解决了现有可能的工程挑战后，隶属Harvard SEAS的Capasso实验室提供了研制出超透镜的相关实验成果（图2），将这种直径100 mm的全玻璃超透镜装载在带有彩色滤光片的相机传感器上。Park拍摄人员在哈佛科学中心的屋顶完成了对太阳、月亮和北美星云（距离地球约2590光年外的一个暗淡星云—天鹅座）高分辨率成像。根据拍摄结果，该论文的合著者Arman Amirzhan表明，他们获取的可见光波段下太阳、月亮和星云图像信息非常详细，这些图像完全可与传统镜头拍摄的图像相媲美。因此，仅依靠这种大尺寸超透镜，研究人员就能够对与同一天拍摄的NASA图像相同的太阳黑子簇进行成像。由于其尺寸和整体为玻璃成分，该超透镜还可用于远程电信和定向能量传输应用。 

此外，研究人员评估了该超透镜在不会造成任何损坏或光学性能损失情况下，可以承受极热、极冷温度，以及太空发射期间发生的强烈振动临界值，证明了该超透镜在极端环境热波动下的强鲁棒性，具有远程成像的适用性，可应用于空间环境中。

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