《光学学报》于2023年43卷第08期推出“现代光学设计与制造”专题，其中，香港城市大学蔡定平教授团队特邀综述“超构器件的设计、制造与成像应用”被选为本期封面文章。

封面解析

       封面展示了新型光学器件：超构器件及其加工流程。经过材料沉积、图样转移、刻蚀等步骤后，可生产出经过精密设计的二维微纳结构，进而实现对光与电磁波的调制与操控。超构光学器件加工方法高度兼容于先进半导体微电子加工技术，为各式各样的新型超构光学器件的实现提供了成熟的解决方案，从而带领光学应用进入新时代。

       《光学学报》2023年第08期封面文章 |冷柏锐; 陈沐谷; 蔡定平; 超构器件的设计、制造与成像应用[J].光学学报, 2023, 43 (08):0822001.

       超构器件是基于超材料或超构表面所设计的新型光学器件。超构表面由亚波长尺寸的微纳结构组成，能够在二维平面上完成对入射光（振幅、相位和偏振）的调制。与传统光学器件相比，超构表面具有轻薄、平坦、紧凑的优势，易于实现小型化、便携的光学系统。

       超构表面有很高的设计自由度，通过设计不同的微纳结构单元（超构原子，metaatom）并进行合理的配置组合，便可以实现包括成像、偏振控制、全息、量子光源、非线性产生和控制等在内的新型超构器件应用。

       基于超构表面的光学器件的另一大优势是易于加工，其与半导体微电子领域的加工技术相兼容。同时得益于其结构单元的平面配置，加工的复杂度得到了显著降低。随着微纳加工技术的进步，已经出现许多研究，致力于提供超构器件加工的解决方案。包括电子束刻蚀、聚焦离子束刻蚀、激光直写、纳米压印刻蚀和光刻等在内的各种微纳结构加工技术，均可用于超构表面的加工，促进了超构光学器件的发展。

01 关键技术进展

       超构器件的加工方法一般有直写刻蚀、图案转移刻蚀和混合图案刻蚀三类。通过不同加工方式产生的结构图案具有不同的技术特点。在选取加工技术的过程中，需要充分考虑加工面积、制造成本、加工精度、时间成本、适用材料范围等因素，以选取适宜的加工方法。

图1 适用于超构表面加工的微纳加工技术。(a)电子束刻蚀流程图与对应的超构表面SEM图；（b）纳米压印制作的超构表面与对应的压印模板示意图；（c）微球投影刻蚀技术的流程图与加工得到的SEM图；（d）DUV投影光刻流程图与对应的超构表面光学和SEM图像

直写刻蚀技术

       直写刻蚀技术是一种不需要掩膜的技术，如图1（a）所示。直写刻蚀技术使用电子束、离子束、探针或者是激光等直接在光刻胶上写入图案。在加工精细结构时，往往需要短波长光源，使用直写技术能有效避免短波长光源对透镜和掩膜造成损坏。基于电子束这样的直写刻蚀工艺通常能获得高分辨率、高质量的图案，但也会受邻近效应的影响，存在成本高、加工时间长的问题。其他直写刻蚀技术也有其相应的技术特点，需要充分考虑其适用范围。

纳米压印技术

         纳米压印是图案转移刻蚀技术的一种，如图1（b）所示，其通过机械变形来实现对微纳结构的复制。将带有微纳结构的压印模板压制到基板上，再通过加热等手段（热纳米压印）使涂敷在基板上的聚合物固化，便实现了图案转移的过程。纳米压印技术可以实现大面积超构表面的制造，同时具有高通量、适用于大规模制造的优点。但在加工之前需要首先获得高精度制造的压印模板，去除残留层的过程中也不可避免地会降低图案精度。

微球投影刻蚀技术

       微球投影刻蚀技术将不同的刻蚀方法结合起来，可以实现更复杂的微纳结构的加工。该技术利用自组装形成二氧化硅小球阵列，使小球充当胶体微透镜，将大尺寸掩膜的图案投射到基板上，实现图案的加工，如图1（c）所示。该方法能加工结构特征在0.4~10μm之间的结构，符合超构表面研究的加工需求。其成本低，制造速度快，可以满足研究上需要快速验证理论的需求。

光刻技术

       光刻作为最广泛应用的半导体微电子加工技术，亦可用于超构表面的加工。图1（d）给出用深紫外投影光刻技术制造超构表面的流程图，目前已经出现用光刻制造的厘米级光学超构透镜。光刻提供了另一种大面积大批量生产超构器件的方法，但DUV存在分辨率较低，且成本较高的缺点。

02 超构表面在成像中的应用

       超构表面对光出色的调制能力赋予其广泛的应用潜力。目前已经出现了很多将超构透镜应用于成像的研究，如图2所示。由于许多组成超构表面的纳米天线自身即是偏振敏感的，故超构透镜可直接用于偏振成像，而不需要复杂的光学组件。受复眼的启发，利用超构透镜组成阵列，可以实现光场成像，能够获取物体深度、速度等多维光场信息。超构表面紧凑轻薄的特性也使得其在生物医疗领域有较高的应用价值。无论是内窥镜成像、荧光成像还是激光手术，超构表面均在其中发挥作用。

图2 超构表面在成像中的部分应用。（a）手性超构透镜的SEM图像与用其拍摄的甲虫和硬币图像；（b）光场成像示意图与火箭深度检测结果；（c）基于消色差透镜阵列的深度感知系统示意图；（d）超构透镜光片荧光显微镜示意图

03 总结与展望

       超构器件尽管只有短短十余年的历史，但其远超传统器件的调控能力赋予其极大的潜力。得益于微纳加工技术的进步，现今已有充足的加工技术来完成超构器件的加工制造。在未来，需要进一步地完善加工技术，以实现低成本、高产量、大面积、高重复性及高分辨率的制造。研究使用DUV和EUV这样的光刻技术实现对超构器件的加工，有助于低成本地将超构器件向实际应用推广。除了用于成像，在全息、量子计算、通信、传感等应用中，超构器件也有很大的潜力，希望未来有更多的研究关注拓展超构器件的功能，推动超构器件的发展。

科学校对 | 冷柏锐；陈沐谷；蔡定平；

编辑 | 王晓琰

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