文章來源：LightScienceApplications???

原文作者：Light新媒體

光學操控技術已成為諸多應用領域中的有力工具，它的蓬勃發展也使得學界對光學器件小型化的需求日益增長。因此，以超表面和衍射光學元件為代表的平面透鏡技術由于其相對傳統衍射光學器件極小的厚度而得到廣泛關注。然而這些小型化器件的制造工藝紛繁復雜且價格昂貴，這使得平面透鏡的產業化與批量化生產受到很大的限制。??????

研究背景????

光學操控技術是現代光學技術的基石，隨著集成光學與微納光學的蓬勃發展，實現光學操控的光學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。超表面由亞波長結構組成，利用定制的亞波長結構的微觀光學響應來調制透射光的振幅和相位。

為了制造出可見光范圍內工作的超表面透鏡，需要構建百納米級別的微結構。實現超透鏡2π范圍的相位差調制功能，微結構的高寬比往往相當大，而這需要使用高分辨率的光刻技術和更專業化的刻蝕技術。現如今，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，但實現大規模的工業化生產依舊前路漫漫。目前工業上用于大規模生產的最具競爭力的微加工方法是使用步進式光刻機的光刻技術。然而，這種方法需要在光刻之后進行后處理，例如高分辨率刻蝕。

菲涅爾波帶片(FZP)是一種衍射光學元件，它由一系列具有交替透明和不透明區域的同心圓環組成，這些圓環起到衍射光柵的作用，能夠在某些點上產生相干疊加，從而實現入射波的聚焦。FZP的核心優勢在于其不需要大寬高比的結構來實現相位調制，FZP的厚度僅取決于在不透明區域阻擋或吸收光所需的材料量。因此FZP成為使用步進式光刻機大規模生產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的可見光。經紫外線曝光的部分會被固化，而未經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構。由于彩色光刻膠在某些波長下具有高吸收性，因此微觀彩色光刻膠圖案可以制成包括FZP在內的振幅型衍射光學元件。

創新研究????

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值孔徑、減小聚焦光斑的尺寸。團隊采用吸收特定波長光的彩色光刻膠(紅：RED-101、綠：JSSG-9135、藍：BLUE-105)作為FZP的不透明材料，根據其吸收光譜設計工作波長，如紅膠制造650 nm、藍膠制造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線步進光刻機曝光，最后通過顯影即可得到所設計的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1.1 μm(圖1k)。

圖1. FZP平面透鏡及其加工工藝

隨后，團隊使用顯微鏡成像系統測試FZP平面透鏡的聚焦特性，紅、藍、綠膠FZP透鏡分別被450 nm、550 nm、650 nm光照射，聚焦光斑均可達到1 μm左右，且光斑的空間聚焦效果良好(如圖2)。

圖2. FZP透鏡聚焦輪廓測量系統及實驗結果

最后，通過用FZP透鏡(550 nm)對USAF 1951分辨率板進行成像，可清晰識別測圖中的第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用前景(如圖3)。

圖3. 波長550 nm下的FZP透鏡的成像結果

總結與展望????

展示了一種利用彩色光刻膠制作平面菲涅爾波帶片(FZP)透鏡的簡單的大規模制造技術。通過該技術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，且實驗得到的光斑尺寸明顯小于其他同類FZP透鏡的光斑尺寸，與業內先進的振幅型FZP透鏡的聚焦效率相當。此制造技術在光學聚焦及成像方面都有優異的性能，具有很高的應用潛力，對進一步發展實用且成本效益高的平面透鏡制造技術有重要的創新意義和參考價值。未來通過設計利用光刻膠材料的透明區域來制造相位型FZP透鏡，理論上聚焦效率可以再提高四倍。