生产直径近30厘米的薄型元表面的新方法
发布时间：2023-06-27 08:00:00 阅读数： 65
再见透镜，你好元表面。所谓的元表面可以帮助在未来使光学系统更薄，同时增加其功能。
到目前为止，传统的制造工艺往往只能实现小的元表面，通常小于一平方毫米。Fraunhofer IOF的研究人员现在首次成功地使用电子束光刻技术生产出直径近30厘米的元表面--这是一项世界纪录。科学家们现在已经在《微/纳米图案、材料和计量学杂志》上发表了他们的方法。
"弗劳恩霍夫应用光学和精密工程研究所IOF的微观和纳米结构光学系主任Falk Eilenberger博士解释说："在经历了500年的透镜和镜子之后，现在是时候向前思考了。所谓的元表面在这里可以作为一种选择。这些组件将其完整的光学功能集中在一个表面，并通过纳米结构在表面实现这一功能。Eilenberger解释了与经典透镜的区别："在透镜中，功能是由宏观的几何形状定义的。这就是为什么透镜是厚而弯曲的。现在我们有一个元表面来代替。它很薄，并且在比光的波长更小的尺度上。"
元表面已经在科学和研究中使用了一段时间。然而，这里的组件通常只有几平方毫米大小。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，当然也不能在未来成为经典透镜的真正替代品。
因此，位于德国耶拿的弗劳恩霍夫IOF的研究人员致力于研究如何在更大的范围内实现创新的元表面的问题。因此，他们现在首次展示了一个直径为30厘米的元表面。"我们不是元表面的发明者，"Eilenberger说。"但我们是唯一能够在如此大的规模上展示它的人"。
在电子束光刻技术的帮助下，Fraunhofer IOF的研究人员已经实现了具有高精度和高效率的高分辨率结构。资料来源：Fraunhofer IOF
高精度和高效率的高分辨率结构
但研究人员是如何实现这一里程碑的呢？答案是：在电子束光刻技术的帮助下。"为了生产我们的超表面，我们使用了电子束光刻技术的一种特殊书写策略，即字符投影，"弗劳恩霍夫IOF的研究员和该研究所的科学主管部门成员Uwe Zeitner教授博士解释说。字符投影是一种将图案划分为更小单元的方法。然后用电子束在一个表面上依次创建这些小图案。这使得复杂结构的制造具有很高的精度和效率。
"使用字符投影，非常高分辨率的结构可以以相对较高的速度平行曝光。这对电子束光刻技术来说是不寻常的，"Zeitner继续说。Zeitner教授与他的弗劳恩霍夫同事Michael Banasch博士和Marcus Trost博士一起，在论文中概述了电子束光刻技术在大面积制造微型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较大的结构时往往达到其极限。"由于波长以下的结构尺寸小，高分辨率电子束光刻技术原则上非常适用于制造元结构，"该研究员说。
"然而，这项技术相对较慢。到目前为止，基本上只有面积相对较小的元件用它来实现--主要是在几平方毫米的范围内。对于更大的面积，曝光时间很快就会达到不切实际的大数值"。据Uwe Zeitner说，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技术的高分辨率和大面积元素的问题，而不会使曝光时间 "爆炸"。因此，该论文的作者表明，电子束光刻技术可以成为一种在大面积上制造微纳米光学结构的技术。
缩小尺寸的同时增加功能
这项新的制造技术可以帮助在未来建造明显更薄的光学系统。"这项技术可以彻底改变成像光学系统，"Falk Eilenberger说。"因为它将使减少系统的尺寸同时增加其光学功能成为可能"。
Uwe Zeitner补充说："这种大的元表面对于在小空间内需要大偏转角的紧凑型光学系统特别有利。例如，在虚拟/增强现实眼镜中就是这种情况。对于智能手机中非常小的光学器件，也可以用这种方法实现有利的设计"。其他潜在的应用包括高分辨率的光谱学或计算机生成的全息图。
参考资料
Uwe D. Zeitner et al, Potential of E-beam lithography for micro- and nano-optics fabrication on large areas, Journal of Micro/Nanopatterning, Materials, and Metrology (2023). DOI: 10.1117/1.JMM.22.4.041405
