本文主要介紹了光學(xué)超構(gòu)表面加工技術(shù)的最新進(jìn)展。討論了三種超構(gòu)表面加工方法：無掩膜刻蝕、掩膜刻蝕和其他微納加工技術(shù)，總結(jié)了各種加工技術(shù)的特點(diǎn)及合適的應(yīng)用場景。最后，展望了超構(gòu)表面及其先進(jìn)微納加工技術(shù)的前景，以實(shí)現(xiàn)多功能，集成超構(gòu)表面系統(tǒng)的低成本，高通量及高精度制造。

光學(xué)超構(gòu)表面

超構(gòu)表面是近年來出現(xiàn)一種新型的光學(xué)器件，也被稱為超構(gòu)器件。與需要相位積累實(shí)現(xiàn)光操縱的傳統(tǒng)光學(xué)元件不同，超構(gòu)表面通過亞波長尺度的微納結(jié)構(gòu)，便可以實(shí)現(xiàn)對光振幅、偏振和相位的完全操縱。這一特點(diǎn)有助于利用超構(gòu)表面實(shí)現(xiàn)光學(xué)器件的小型化，促進(jìn)集成光學(xué)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。

此外，超構(gòu)表面具有更多的設(shè)計(jì)自由度，能實(shí)現(xiàn)更多設(shè)計(jì)以滿足多種需求，除了成像、偏振控制、全息等應(yīng)用外，也被用來實(shí)現(xiàn)傳感，可調(diào)諧器件，量子光源等新型應(yīng)用。 超構(gòu)表面的另一大特點(diǎn)是易于加工。組成超構(gòu)表面的微納結(jié)構(gòu)均是二維平面圖案，能使用現(xiàn)有的成熟納米加工技術(shù)進(jìn)行制造，如電子束刻蝕，激光刻蝕與光刻。也有研究者使用自組裝刻蝕、納米壓印刻蝕等技術(shù)實(shí)現(xiàn)超構(gòu)表面的加工制造，滿足各式各樣的制造需求。

本文對光學(xué)超構(gòu)表面的各種先進(jìn)加工技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)討論，總結(jié)了各種加工制造技術(shù)的特點(diǎn)和挑戰(zhàn)。最后提出了超構(gòu)表面加工技術(shù)未來的發(fā)展方向。

超構(gòu)表面的微納加工技術(shù)

本文根據(jù)納米圖案如何被第一次被創(chuàng)造出來將加工技術(shù)劃分為三類：無掩膜刻蝕、掩膜刻蝕及其他微納加工技術(shù)。這些技術(shù)的特點(diǎn)如表1所示。

表1. 超構(gòu)表面加工技術(shù)

無掩膜刻蝕

無掩膜刻蝕技術(shù)指不需要掩膜即可實(shí)現(xiàn)圖案寫入的技術(shù)，如圖1所示。無掩膜刻蝕技術(shù)可以分為電子束刻蝕、聚焦離子束刻蝕和激光刻蝕。電子束刻蝕不需要掩模，直接利用聚焦的電子束曝光電子束光刻膠定義圖案。電子束刻蝕能寫下任意圖形，同時(shí)具有超高的精度。聚焦離子束刻蝕通過直接轟擊目標(biāo)結(jié)構(gòu)表面寫入圖案，是一種一步刻蝕的方法。聚焦離子束刻蝕具有高精度的特點(diǎn)，同時(shí)能實(shí)現(xiàn)自由表面形貌的加工。激光刻蝕可以分為激光直寫刻蝕和激光干涉刻蝕。激光直寫刻蝕是利用激光直接在光刻膠上寫入圖案，適用于高通量，大面積的制造。激光干涉刻蝕則通過引入更多相干光束形成干涉圖案，有助于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模周期陣列的制造。

圖1. 無掩?？涛g。a. 電子束刻蝕。b. 電子束刻蝕制造的超構(gòu)表面SEM圖。c. 聚焦離子束刻蝕。d. 聚焦離子束刻蝕制造的超表面SEM圖。

掩?？涛g

掩?？涛g技術(shù)利用制備完成的掩模將圖案轉(zhuǎn)移到目標(biāo)基板上，如圖2所示。掩?？涛g技術(shù)包括光刻、納米壓印刻蝕和自組裝刻蝕。光刻是一種最常見的半導(dǎo)體微納加工技術(shù)，通過曝光將掩模板上的圖案轉(zhuǎn)移到光刻膠上，能實(shí)現(xiàn)大面積高通量的超構(gòu)表面加工。納米壓印刻蝕將具有微納結(jié)構(gòu)的壓印模板壓到涂有聚合物的基板上，通過熱或者紫外光將壓印聚合物固化，實(shí)現(xiàn)超構(gòu)表面的加工。壓印模板可以重復(fù)利用，是一種高精度的大規(guī)模制造方法。自組裝刻蝕用懸浮液中的納米微球充當(dāng)掩模，是一種低成本的周期結(jié)構(gòu)加工方法。

圖2. 掩?？涛g。a. 光刻。b. 納米壓印刻蝕。c. 自組裝刻蝕。

其他技術(shù)

其他微納加工技術(shù)也在超構(gòu)表面的制造中得到應(yīng)用，如圖3所示。討論了雙光子聚合與激光燒蝕技術(shù)。雙光子聚合是利用飛秒激光與光刻膠的相互作用實(shí)現(xiàn)微納結(jié)構(gòu)制造的技術(shù)。光刻膠僅在焦點(diǎn)處發(fā)生固化，能實(shí)現(xiàn)三維結(jié)構(gòu)的加工。激光燒蝕則直接利用飛秒激光對目標(biāo)基板表面進(jìn)行燒蝕或修飾，也是一種低成本高通量的加工技術(shù)，適用于大面積超構(gòu)表面的加工。

圖3. 其他加工技術(shù)。a. 雙光子聚合。b. 激光燒蝕。

總結(jié)和展望

本文總結(jié)了各種適用于光學(xué)超構(gòu)表面的先進(jìn)微納加工技術(shù)，討論了他們的特點(diǎn)與適用場景。綜合考慮加工精度、加工面積、成本、加工時(shí)間和適用材料等條件，才能找到適用于不同設(shè)計(jì)的最優(yōu)加工方法。

超構(gòu)表面在許多應(yīng)用場景上顯現(xiàn)出巨大潛力，如量子計(jì)算、通信、傳感和激光等應(yīng)用。將超構(gòu)表面融入集成系統(tǒng)，是提高設(shè)備效率，增強(qiáng)性能，是實(shí)現(xiàn)小型化，商業(yè)化的重要步驟。這些需求都希望微納加工技術(shù)能實(shí)現(xiàn)低成本、高通量、大面積、高精度和高可重復(fù)地制造超構(gòu)表面。同時(shí)，超構(gòu)表面的微納加工技術(shù)與半導(dǎo)體加工工藝相兼容，顯著減小了超構(gòu)表面的加工門檻，推動(dòng)超構(gòu)表面和超構(gòu)光學(xué)領(lǐng)域的廣泛發(fā)展。

審核編輯：劉清