探讨三种超构器件表面的加工方法

本文主要介绍了光学超构表面加工技术的最新进展。讨论了三种超构表面加工方法：无掩膜刻蚀、掩膜刻蚀和其他微纳加工技术，总结了各种加工技术的特点及合适的应用场景。最后，展望了超构表面及其先进微纳加工技术的前景，以实现多功能，集成超构表面系统的低成本，高通量及高精度制造。        

光学超构表面

超构表面是近年来出现一种新型的光学器件，也被称为超构器件。与需要相位积累实现光操纵的传统光学元件不同，超构表面通过亚波长尺度的微纳结构，便可以实现对光振幅、偏振和相位的完全操纵。这一特点有助于利用超构表面实现光学器件的小型化，促进集成光学系统的实现。

此外，超构表面具有更多的设计自由度，能实现更多设计以满足多种需求，除了成像、偏振控制、全息等应用外，也被用来实现传感，可调谐器件，量子光源等新型应用。   超构表面的另一大特点是易于加工。组成超构表面的微纳结构均是二维平面图案，能使用现有的成熟纳米加工技术进行制造，如电子束刻蚀，激光刻蚀与光刻。也有研究者使用自组装刻蚀、纳米压印刻蚀等技术实现超构表面的加工制造，满足各式各样的制造需求。

本文对光学超构表面的各种先进加工技术进行了详细讨论，总结了各种加工制造技术的特点和挑战。最后提出了超构表面加工技术未来的发展方向。

超构表面的微纳加工技术

本文根据纳米图案如何被第一次被创造出来将加工技术划分为三类：无掩膜刻蚀、掩膜刻蚀及其他微纳加工技术。这些技术的特点如表1所示。

表1. 超构表面加工技术

无掩膜刻蚀

无掩膜刻蚀技术指不需要掩膜即可实现图案写入的技术，如图1所示。无掩膜刻蚀技术可以分为电子束刻蚀、聚焦离子束刻蚀和激光刻蚀。电子束刻蚀不需要掩模，直接利用聚焦的电子束曝光电子束光刻胶定义图案。电子束刻蚀能写下任意图形，同时具有超高的精度。聚焦离子束刻蚀通过直接轰击目标结构表面写入图案，是一种一步刻蚀的方法。聚焦离子束刻蚀具有高精度的特点，同时能实现自由表面形貌的加工。激光刻蚀可以分为激光直写刻蚀和激光干涉刻蚀。激光直写刻蚀是利用激光直接在光刻胶上写入图案，适用于高通量，大面积的制造。激光干涉刻蚀则通过引入更多相干光束形成干涉图案，有助于实现大规模周期阵列的制造。   

图1. 无掩模刻蚀。a. 电子束刻蚀。b. 电子束刻蚀制造的超构表面SEM图。c. 聚焦离子束刻蚀。d. 聚焦离子束刻蚀制造的超表面SEM图。

掩模刻蚀

掩模刻蚀技术利用制备完成的掩模将图案转移到目标基板上，如图2所示。掩模刻蚀技术包括光刻、纳米压印刻蚀和自组装刻蚀。光刻是一种最常见的半导体微纳加工技术，通过曝光将掩模板上的图案转移到光刻胶上，能实现大面积高通量的超构表面加工。纳米压印刻蚀将具有微纳结构的压印模板压到涂有聚合物的基板上，通过热或者紫外光将压印聚合物固化，实现超构表面的加工。压印模板可以重复利用，是一种高精度的大规模制造方法。自组装刻蚀用悬浮液中的纳米微球充当掩模，是一种低成本的周期结构加工方法。   

图2. 掩模刻蚀。a. 光刻。b. 纳米压印刻蚀。c. 自组装刻蚀。

其他技术

其他微纳加工技术也在超构表面的制造中得到应用，如图3所示。讨论了双光子聚合与激光烧蚀技术。双光子聚合是利用飞秒激光与光刻胶的相互作用实现微纳结构制造的技术。光刻胶仅在焦点处发生固化，能实现三维结构的加工。激光烧蚀则直接利用飞秒激光对目标基板表面进行烧蚀或修饰，也是一种低成本高通量的加工技术，适用于大面积超构表面的加工。

图3. 其他加工技术。a. 双光子聚合。b. 激光烧蚀。

总结和展望

本文总结了各种适用于光学超构表面的先进微纳加工技术，讨论了他们的特点与适用场景。综合考虑加工精度、加工面积、成本、加工时间和适用材料等条件，才能找到适用于不同设计的最优加工方法。   

超构表面在许多应用场景上显现出巨大潜力，如量子计算、通信、传感和激光等应用。将超构表面融入集成系统，是提高设备效率，增强性能，是实现小型化，商业化的重要步骤。这些需求都希望微纳加工技术能实现低成本、高通量、大面积、高精度和高可重复地制造超构表面。同时，超构表面的微纳加工技术与半导体加工工艺相兼容，显著减小了超构表面的加工门槛，推动超构表面和超构光学领域的广泛发展。

审核编辑：刘清