港城大团队研发真空紫外非线性超构透镜，可将394纳米紫外光转为197纳米真空紫外光

解决国内光刻机的技术瓶颈，是香港城市大学电机工程系教授蔡定平团队近期一项工作的研究初衷。其研发出一款新型真空紫外光超构透镜，可用于半导体制作、光化学、材料科学等，所产生的聚焦真空紫外光源，也能广泛用于微纳光刻等高端工业领域。未来延伸到更短波长之后，可用于光刻机。

这款基于真空紫外光的新型非线性超构透镜，能同时产生和聚焦真空紫外光，直径为 45 微米。它可通过二次谐波产生过程，将波长 394 纳米的紫外光、转为波长 197 纳米的真空紫外光，并能将转换后的真空紫外光聚焦，聚焦之后的光斑直径小于 200 万分之 1 米。

根据美国莱斯大学合作者的测试，相比超构透镜表面的平均功率密度，聚焦光点的功率密度可提高 21 倍。

首次提出真空紫外非线性超构透镜新概念，有望用于极紫外线光刻机

概括来说，该课题组首次发现、并提出真空紫外非线性超构透镜的新概念。针对传统真空紫外器件材料吸收强、系统体积大、复杂度高等问题，这款超构透镜将其一举攻克，借此为非线性真空紫外产生和所产生光的聚焦，提供了一种高度紧凑的解决方案，并且无需额外的光学元件。

详细来说，真空紫外光的波长范围通常为 100 至 200 纳米。由于它的光子能量高，以及鉴于光和物质的相互作用更强，所以真空紫外辐射能广泛用于材料表征与加工、生物技术等。

但在目前仍然面临两大缺乏：低损耗的光学元件、紧凑型的相干光源。这直接导致该波长范围内的新应用无法更快“诞生”。而几乎所有用于传统镜片的玻璃类型，都不适用于真空紫外光，因为它们在 100 至 200 纳米的波长范围内具有很强的吸收力。

在当下，只有氟化钙和氟化镁等少数材料，可被用于真空紫外透射型透镜。然而这些材料相对脆弱，限制了薄透镜的实际制造和设计。另外，尽管反射光学可以消除强真空紫外吸收，但却显著增加了真空紫外系统的体积和复杂度。

说到这里，就得介绍一下相干真空紫外光源，其历来是一种大型的固定波长准分子激光器，需要较大的实验室占地面积、以及大量气体处理设备。

此前，人们将固态激光光源与非线性光学过程结合，让相干真空紫外光的研究得以拓展。其中，从稀有气体蒸汽中的级联三倍频、到产生高度级联谐波的这一过程，是将低光子能量相干光源转换为更高光子能量光源的有效方法。

在更高效率的上转换过程里，非线性光学晶体中的二次谐波产生，会严重受制于真空紫外波长的相位匹配以及光吸收。因此，要想进一步利用电磁光谱区域，亟需新型真空紫外光的产生和调控方法。

一款“神器”——超构表面

超构表面，为打破该波长范围的限制提供了新平台。其由亚波长纳米谐振器组成，该器件搭载着精心设计的几何参数，可以实现光波前控制、可调谐光操纵等目标功能。

作为一种高度紧凑的平面光学元件，非线性超构表面能够增强局部有效非线性，可在不受相位匹配约束的状态下产生真空紫外光。同时，由于超构表面能把入射光、聚焦到纳米级热点，故在红外到深紫外范围内，可以极大提高非线性过程的效率，从而用于紧凑型的光产生装置。

在课题组此前工作里，通过对非线性材料组成的超构原子进行精确设计，即可“激励”基频波长的共振模式，进而将非线性超构表面的工作波长扩展到真空紫外范围。

但是，受到超构原子的几何形状影响，所产生的光会被分散成不同图案。对于实际应用来说，这种衍射是不可取的。因为，这时需要额外的光学元件，来对真空紫外光进行收集和准直，这必然会导致损耗，并极大增加系统的尺寸。

而本次工作则解决了上述问题。近日，相关论文以《真空紫外非线性超构透镜》（Vacuum ultraviolet nonlinear metalens）为题发表在 Science Advances 上。

曾铭纶博士和香港城市大学电机工程系助理教授陈沐谷博士担任共同作者，蔡定平教授、莱斯大学电气与计算机工程系的彼得· 诺德兰德（Peter Nordlander）教授和娜奥米·J· 哈拉斯（Naomi J.Halas）教授担任共同通讯作者。

审稿人评价称，该工作提出并展示了一种具有发展前景的新方法，借此实现基于介电超构表面的新型真空紫外光子器件。因此真空紫外光对于许多关键应用至关重要。

然而，由于光源有限、且缺乏在该光谱范围内工作的高效光学材料，开发具有新功能的紧凑型真空紫外系统十分具有挑战性。

而该团队此次报道的超构透镜，能够产生并有效聚焦相干真空紫外光。实验证明，聚焦真空紫外光的高度功率密度增强，这能实现许多应用例如扫描光谱学和纳米光刻等。

通过将这种多功能非线性超构透镜，集成到当前的真空紫外系统中，可以显著降低尺寸和损耗。论文内容还表明，非线性超构表面具备实现其他真空紫外功能的潜力。

审稿人还表示：“我有了解同一作者在 Nano Letters 上发表的早期论文。然而，当前工作展示了真空紫外光的产生和聚焦，向前迈出了实质性一步。作者在纳米谐振器设计中，引入了非线性几何相位，以实现对输出真空紫外光波前的精确相位控制。实验也证实了由此产生的超构透镜的紧密性真空紫外聚焦和增强。”

课题组也表示，这项研究是前人从未实现过的、应用广泛、且非常有意义的工作。

从最初的想法与设计的提出、到材料选择、物理机制选择、以及几何参数的选择，再到样品的精密加工和精确测量真空紫外光学，期间耗费大量心力。概括来说主要有以下步骤：

第一步，想法的探索与提出。最初，课题组发现在材料表征与加工、生物技术、微纳光刻、先进制作等方面，真空紫外光源具有重大应用前景。进而他们找到了领域内目前遇到的主要困难，比如材料吸收强、系统体积大、复杂度高等。

结合该团队在超构表面与超构器件方面的经验，他们提出了真空紫外非线性超构透镜的设计方法与目标，即在一片薄层样品上，同时实现真空紫外光的产生和聚焦。

第二步，对设计方法和目标进行模拟仿真。在材料选择上，该团队使用二阶的非线性介电材料氧化锌，其具备低损耗、高折射率等优势，可保证器件的效率、以及电磁场在非线性材料中的局域能力。

物理机制上，则选择米氏共振模式，以让氧化锌超构单元中的电磁场得到极大增强，进而提高二次谐波非线性的转换效率。

考虑到基频处的共振波长、和倍频处的非线性聚焦，他们又选择具有 C3 对称性的超构单元，即六边形晶格和三角形超构单元；并采用非线性几何相位，来对几何参数与单元旋转角度进行选择与优化。而为了生成最优的真空紫外光聚焦性能，其又选用了更加合适的非线性超构透镜尺寸与数值孔径。

第三步，实验制备与测量。基于课题组在实验加工上的积累，在加工氧化锌的图案时，采用了电子束曝光技术，以保证高加工精度。同时，他们采用飞秒激光来“激励”光学非线性过程，以便获得最高的真空紫外光产生效率。

另据悉，真空紫外光需要在真空腔中测量光谱与光场成像，只有这样才能保证测量结果的准确性。最后，基于实验测量结果，他们再次对设计、模拟仿真、实验制备工艺做以优化，最终得到仿真与实验吻合、且器件性能最优的结果。

课题组表示：“此次研究需要在极小的空间内，产生很高的真空紫外光功率密度。很多事情都极具挑战性，比如同时设计非线性二次谐波产生、光的聚焦、样品的精密加工和制备、实验光谱和光场成像的测量等。”

下一步，他们计划对新型材料比如二维材料、铌酸锂等进行研究。举例来说，铌酸锂作为低损耗高折射率介电材料，具有很高的二阶非线性系数，在纳米光子学和非线性光学等方面具有十分广泛的应用。因此，课题组计划进一步提高真空紫外光源效率，并减小所产生的真空紫外光源波长。

                                                    发布日期：2022年8月10日

                                                     来源： DeepTech深科技