办理国内光刻机的技能瓶颈，是香港都会大学电机工程系传授蔡定平团队近期一项工作的研究初志。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、质料科学等，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范畴。未来延伸到更短波长之后，可用于光刻机。
▲图 | 左为陈沐谷博士、右为蔡定平传授（泉源：课题组）
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。
（泉源：Science Advances）
根据美国莱斯大学相助者的测试，相比超构透镜外貌的均匀功率密度，聚焦光点的功率密度可进步 21 倍。
初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，该课题组初次发现、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质料吸取强、体系体积大、复杂度高等题目，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办理方案，而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，以是真空紫外辐射能广泛用于质料表征与加工、生物技能等。
但在现在仍然面对两大缺乏：低消耗的光学元件、紧凑型的干系光源。这直接导致该波长范围内的新应用无法更快“诞生”。而险些全部效于传统镜片的玻璃范例，都不实用于真空紫外光，由于它们在 100 至 200 纳米的波长范围内具有很强的吸取力。
（泉源：Science Advances）
在当下，只有氟化钙和氟化镁等少数质料，可被用于真空紫外透射型透镜。然而这些质料相对脆弱，限定了薄透镜的现实制造和计划。别的，只管反射光学可以消除强真空紫外吸取，但却显着增长了真空紫外体系的体积和复杂度。
说到这里，就得先容一下干系真空紫外光源，其向来是一种大型的固定波长准分子激光器，须要较大的实行室占地面积、以及大量气体处置处罚装备。
此前，人们将固态激光光源与非线性光学过程团结，让干系真空紫外光的研究得以拓展。此中，从有数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，是将低光子能量干系光源转换为更高光子能量光源的有效方法。
在更高服从的上转换过程里，非线性光学晶体中的二次谐波产生，会严峻受制于真空紫外波长的相位匹配以及光吸取。因此，要想进一步使用电磁光谱地区，亟需新型真空紫外光的产生和调控方法。
一款“神器”——超构外貌
超构外貌，为突破该波长范围的限定提供了新平台。其由亚波长纳米谐振器构成，该器件搭载着经心计划的多少参数，可以实现光波前控制、可调谐光利用等目的功能。
作为一种高度紧凑的平面光学元件，非线性超构外貌可以大概增强局部有效非线性，可在不受相位匹配束缚的状态下产生真空紫外光。同时，由于超构外貌能把入射光、聚焦到纳米级热门，故在红外到深紫外范围内，可以极大进步非线性过程的服从，从而用于紧凑型的光产生装置。
在课题组此前工作里，通过对非线性质料构成的超构原子举行精确计划，即可“鼓励”基频波长的共振模式，进而将非线性超构外貌的工作波长扩展到真空紫外范围。
但是，受到超构原子的多少形状影响，所产生的光会被分散成差异图案。对于现实应用来说，这种衍射是不可取的。由于，这时须要额外的光学元件，来对真空紫外光举行网络和准直，这肯定会导致消耗，并极大增长体系的尺寸。
而本次工作则办理了上述题目。克日，干系论文以《真空紫外非线性超构透镜》（Vacuum ultraviolet nonlinear metalens）为题发表在 Science Advances 上。
▲图 | 干系论文（泉源：Science Advances）
曾铭纶博士和香港都会大学电机工程系助理传授陈沐谷博士继承共同作者，蔡定平传授、莱斯大学电气与盘算机工程系的彼得· 诺德兰德（Peter Nordlander）传授和娜奥米·J· 哈拉斯（Naomi J.Halas）传授继承共同通讯作者。
审稿人评价称，该工作提出并展示了一种具有发展远景的新方法，借此实现基于介电超构外貌的新型真空紫外光子器件。因此真空紫外光对于很多关键应用至关告急。
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质料，开发具有新功能的紧凑型真空紫外体系非常具有寻衅性。
而该团队此次报道的超构透镜，可以大概产生并有效聚焦干系真空紫外光。实行证明，聚焦真空紫外光的高度功率密度增强，这能实现很多应用比方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体系中，可以显着低沉尺寸和消耗。论文内容还表明，非线性超构外貌具备实现其他真空紫外功能的潜力。
（泉源：Science Advances）
审稿人还表现：“我有相识同一作者在 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。作者在纳米谐振器计划中，引入了非线性多少相位，以实现对输出真空紫外光波前的精确相位控制。实行也证明了由此产生的超构透镜的精密性真空紫外聚焦和增强。”
课题组也表现，这项研究是前人从未实现过的、应用广泛、且非常故意义的工作。
从最初的想法与计划的提出、到质料选择、物理机制选择、以及多少参数的选择，再到样品的精密加工和精确丈量真空紫外光学，期间淹灭大量心力。概括来说告急有以下步调：
第一步，想法的探索与提出。最初，课题组发如今质料表征与加工、生物技能、微纳光刻、先辈制作等方面，真空紫外光源具有庞大应用远景。进而他们找到了范畴内现在遇到的告急困难，好比质料吸取强、体系体积大、复杂度高等。
团结该团队在超构外貌与超构器件方面的履历，他们提出了真空紫外非线性超构透镜的计划方法与目的，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，对计划方法和目的举行模拟仿真。在质料选择上，该团队使用二阶的非线性介电质料氧化锌，其具备低消耗、高折射率等上风，可包管器件的服从、以及电磁场在非线性质料中的局域本事。
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，进而进步二次谐波非线性的转换服从。
思量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；并接纳非线性多少相位，来对多少参数与单元旋转角度举行选择与优化。而为了天生最优的真空紫外光聚焦性能，其又选用了更加符合的非线性超构透镜尺寸与数值孔径。
第三步，实行制备与丈量。基于课题组在实行加工上的积聚，在加工氧化锌的图案时，接纳了电子束曝光技能，以包管高加工精度。同时，他们接纳飞秒激光来“鼓励”光学非线性过程，以便得到最高的真空紫外光产生服从。
另据悉，真空紫外光须要在真空腔中丈量光谱与光场成像，只有如许才气包管丈量效果的精确性。末了，基于实行丈量效果，他们再次对计划、模拟仿真、实行制备工艺做以优化，终极得到仿真与实行符合、且器件性能最优的效果。
课题组表现：“此次研究须要在极小的空间内，产生很高的真空紫外光功率密度。很多事变都极具寻衅性，好比同时计划非线性二次谐波产生、光的聚焦、样品的精密加工和制备、实行光谱和光场成像的丈量等。”
下一步，他们操持对新型质料好比二维质料、铌酸锂等举行研究。举例来说，铌酸锂作为低消耗高折射率介电质料，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非常广泛的应用。因此，课题组操持进一步进步真空紫外光源服从，并减小所产生的真空紫外光源波长。
参考资料：
1.Tseng, M. L., Semmlinger, M., Zhang, M., Arndt, C., Huang, T. T., Yang, J., ... & Halas, N. J. (2022). Vacuum ultraviolet nonlinear metalens. Science Advances, 8(16), eabn5644.
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