基于超构表面的光学超构透镜制造与应用综述
2025-10-26 20:04:03   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

超构透镜（Metalens）作为新一代光学超构表面（metasurfaces），可用于紧凑成像、传感和显示应用，能够以高自由度设计入射光的相位、偏振、频率、振幅、角动量等参数，以满足应用需求，因此在平面光学领域引发广泛关注。实现超构透镜应用面临的重大挑战在于高效制备具有高分辨率、高鲁棒性和均匀图案化的大尺寸纳米结构。

据麦姆斯咨询报道，近期，中国计量大学研究团队在Microsystems & Nanoengineering期刊上发表了题为“Review for optical metalens based on metasurfaces: fabrication and applications”的综述论文，首先详细介绍了适用于超构表面的制造技术，包括掩模光刻、无掩模光刻和增材制造，分析了其局限性并提出改进思路。其次，研究人员从非成像光学和成像光学两方面阐述了超构透镜的应用前景。在非成像光学领域，超构透镜可增强照明效果、塑造光束形状、提升能量转换效率。在成像光学领域，验证了超构透镜在光刻、天文观测、显微和内窥镜系统中替代传统光学元件的作用。最后，该研究探讨了超构透镜在商业化应用方面面临的挑战，并对该领域的未来发展进行了展望。

超构透镜制造技术

这项研究综述了用于制造超构透镜或光学超构表面的两种主要掩模光刻技术。由于传统光刻技术具有半导体级精度且成本低于电子束光刻（EBL）技术，因此在无需大规模量产的情况下，采用成熟的光刻技术制造研究型超构透镜具有较高的成本效益。对于需要量产的超构透镜（尤其面向消费级器件的商业应用），使用纳米压印光刻（NIL）技术具有显著成本优势，因为仅需单个母版即可在短时间内批量压印多个超构透镜。当前需深入研究的问题包括母板纳米结构的磨损、每次压印后残余聚合物的去除方案，以及如何与现有模压设备集成以实现标准化生产。此外，超构表面可以通过自组装光刻技术、印刷电路技术、贴花转移技术、纳米剥落技术和对准-键合-剥离技术来制造。

图1 利用光刻技术制备超构透镜的图像

图2 利用纳米压印光刻技术制备的超构透镜的制造工艺和图像

这项研究综述了用于制造超构透镜或光学超构表面的三种主要无掩模光刻技术。电子束光刻（EBL）特别适用于制造具有高分辨率、高纵深比（AR）纳米结构的超构透镜，因为通过定义聚合物图案来避免侧壁效应，从而形成接近垂直的纳米结构。然而，相较于单次曝光光刻获得的大面积图案，逐点曝光的EBL增加了制造时间。聚焦离子束（FIB）可以直接在材料表面进行精密刻蚀，适用于制造纳米孔结构的超构透镜。然而，靶原子可能沉积在样品表面，离子可能注入样品，从而影响器件性能，这需要平衡考量FIB的工作参数。激光直写（DLW）是制造大面积超构透镜的另一种替代方案，具有成本相对较低、高通量等特点，但精确刻蚀均匀纳米结构仍然面临挑战。

图3 基于EBL技术制备的超构透镜图像

图4 基于FIB技术制备的超构透镜图像

图5 基于DLW技术制备的超构透镜图像和制造工艺

这项研究综述了用于制造超构透镜或光学超构表面的三种主要增材制造技术。熔融沉积成型（FDM）和光固化成型（SLA）技术适用于制造在太赫兹、微波频段工作的超构透镜。近年来这两种技术均已成熟并进入市场，尤其是精度较高的消费级三维（3D）打印机，使得3D打印超构透镜的应用研究持续增长。FDM技术是通过3D运动喷嘴挤压材料形成结构，平台振动限制了其精度，但与SLA技术相比，它可制造大体积模型。SLA技术通过投射显示图案的方式逐层固化材料，其精度受显示尺寸和分辨率限制，但与FDM技术相比，其具有更小的层线和更光滑的表面。双光子聚合（TPP）技术适用于制造具有不规则纳米结构的超构透镜，这是有/无掩模光刻无法实现的。TPP技术凭借其特殊的光聚合原理，可实现亚微米级甚至纳米级的印刷精度，这在微纳米加工领域具有重要优势，为不同应用场景提供了更多选择。然而，TPP的逐点扫描效率相对较低，在大规模生产时成为瓶颈。

图6 基于FDM或SLA技术制备的超构透镜图像

图7 基于TPP技术制备的超构透镜图像和制造工艺

非成像光学应用

非成像光学侧重于光能量传输的控制而非直接成像。非成像光学旨在通过设计特定光学系统来满足特定的照明、能量收集等其它非成像需求，从而实现光能的有效传输和分配。这项研究主观地对非成像光学中光能传输划分为不同阶段：对器件外部环境光区域的操控称为照明和整形，而对内部环境光区域的调制则称为能量集中和收集。照明侧重于在宏观层面上的光分布，例如将光引导至目标区域。而能量集中则侧重于光能的高效收集和利用。

图8 非成像超构光学的理论基础

图9 用于光束整形的超构透镜

图10 用于照明的超构透镜

图11 用于光聚焦的超构透镜

图12 用于太阳能收集的超构透镜

成像光学应用

超构透镜或光学超构表面是一种新型平面光学器件，具有精确操控相位、振幅、偏振和波长等各种光学参数的卓越能力。这些器件在光刻、天文观测、显微镜与内窥镜等多光学领域展现出巨大的应用潜力，特别是在紧凑和集成光学系统开发方面。因此，超构透镜与这些系统的集成已成为重要研究方向。

图13 基于超构透镜的光刻系统的性能

图14 基于超构透镜的望远镜的性能

图15 基于超构透镜的干涉对比显微镜的性能

图16 基于超构透镜的内窥镜的光学性能

图17 超构透镜在极端环境下的适应性能

未来展望

超构透镜作为第三代光学透镜元件，凭借其亚波长厚度和超轻特性以及光波前的任意参数调制，展现出广阔的发展前景。众多企业已基于其优势开发出各类应用。然而，超构透镜商业化之路仍面临诸多挑战：（1）首要问题是成本问题；（2）在蚀刻过程中产生的误差；（3）在图案化过程中会出现误差，尤其对于大面积超构透镜的制造；（4）其它问题还包括缺乏可扩展性和环境适用性不足。

超构透镜在过去十年间取得了重大突破。随着尺寸增大和功能复杂性增加，传统正向设计已经难以满足要求。逆向设计旨在通过拓扑算法、进化算法、深度学习等算法实现优化设计，并提出新型光学超构表面的设计框架。

超构透镜在诸多新兴领域颇具研究前景。凭借对光的精确操控，超构透镜有望应用于其他光学系统。此外，超构透镜与人工智能（AI）技术的结合或将成为未来发展趋势。在量子光学领域，基于超构透镜或光学超构表面的研究已取得显著进展。另一重要前沿研究领域是超构透镜或光学超构表面在光帆（lightsail）领域的应用探索。

总结

综上所述，这项研究综述了超构透镜的制备技术、在非成像光学和成像光学领域的应用，以及面临的挑战和未来发展前景。制造技术涵盖了掩模光刻、无掩模光刻和增材制造等各种方法，并详细探讨了其适用场景和局限性。在应用方面，超构透镜在非成像光学中可用于光束整形、提升照明效率与能量转换效率；而在成像光学领域，其在光刻、天文观测、显微镜和内窥镜等领域具有重要应用价值。这项研究还重点阐述了超构透镜在商业应用中需克服环境适应性、设计和评估方法等关键问题，并提出了未来研究方向，包括新型设计方法及与人工智能技术的融合。总体而言，凭借其独特的光学操控能力和与半导体制造工艺的兼容性，超构透镜有望成为推动新一代光学系统发展的关键驱动力。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41378-025-01064-5

延伸阅读：

《超构透镜（Metalens）专利态势分析-2024版》

《光学和射频领域的超构材料和超构表面-2024版》

《光学和射频应用的超构材料-2024版》