休斯顿，2022 年 5 月 9 日 — 莱斯大学的研究人员开发了一种超透镜，可将入射的长波紫外线 (UVA) 转换为聚焦输出的真空紫外线 (VUV) 辐射。VUV 用于半导体制造、光化学和材料科学。从历史上看，使用它的成本很高，部分原因是它被用于制造传统镜片的几乎所有类型的玻璃吸收。 由电气和计算机工程的 Stanley C. Moore 教授和莱斯大学生物医学工程、化学和物理学教授 Naomi Halas 领导的团队开发了一种超透镜，可以将 394-nm 紫外光转换为 197-nm 的聚焦输出真空紫外。圆盘形超透镜由透明的氧化锌片组成，比一张纸还薄，直径只有百万分之 45 米。 为了证明这种转换，研究人员在圆盘背面照射了 394 nm UVA 激光，并测量了从另一侧发出的光。 “鉴于最近的演示表明，芯片制造商可以通过与 CMOS 兼容的工艺扩大超表面的生产，这项工作特别有前景，”Halas 说。“这是一项基础研究，但它清楚地指出了一种高通量制造紧凑型 VUV 光学元件和设备的新战略。” 科学家们通过在氧化锌微观薄膜表面精确蚀刻数百个微小三角形来构建元透镜。根据该研究的共同第一作者、Halas 研究小组的应用物理学研究生凯瑟琳·阿恩特（Catherine Arndt）的说法，超透镜的关键特征是它的界面，即前表面布满了微小三角形的同心圆。 “界面是所有物理发生的地方，”阿恩特说。“我们实际上是在传递相移，改变光的移动速度和行进方向。我们不必收集光输出，因为我们使用电动力学在我们生成它的界面处重定向它。” 紫光具有人类可见的最低波长。紫外线的波长甚至更低，范围从 400 到 10 nm。VUV，波长在 100 到 200 nm 之间，因其被氧气强烈吸收而得名。
莱斯大学的光子学研究人员通过在氧化锌微观薄膜上以精确配置的同心圆精确蚀刻数百个微型三角形纳米谐振器，创造了一种超透镜，可将 394 纳米紫外光（蓝色）转换为 197 纳米真空紫外光（粉红色），同时将 VUV 输出聚焦在直径小于百万分之 2 米的小点上。由 M. Semmlinger/莱斯大学提供。 今天使用 VUV 灯通常需要真空室或其他专业环境，以及产生和聚焦 VUV 的机器。 “传统材料通常不会产生 VUV，”Arndt 说。“今天它是用非线性晶体制成的，体积庞大、价格昂贵，而且通常受出口管制。结果是 VUV 相当昂贵。” 在之前的工作中，Halas 和一个团队展示了他们可以将 394-nm UV 转换为具有氧化锌超表面的 197-nm VUV。与元透镜一样，超表面是具有图案表面的透明氧化锌薄膜。在这种情况下，所需的图案并不复杂，因为它不需要聚焦光输出，Arndt 说。 “Metalenses利用了光在撞击表面时会发生变化的事实，”她说。“例如，光在空气中的传播速度比在水中的传播速度更快。这就是为什么你会在池塘表面产生反射。水的表面是界面，当阳光照射到界面时，它会反射掉一小部分。 " 先前的工作表明，超表面可以通过二次谐波产生上转换长波紫外线来产生 VUV。但是 VUV 的成本很高，部分原因是它在生产后操作起来很昂贵。她说，市售系统可以装满冰箱或紧凑型汽车一样大的橱柜，而且要花费数万美元。 “对于元透镜，你既要产生光又要操纵它，”阿恩特说。“在可见波长范围内，超透镜技术已经变得非常有效。” Arndt 说，虚拟现实头戴设备使用了这种效果，并且最近已经证明了超透镜可用于可见光和红外波长，尽管还没有在更短的波长上。 为了制作超透镜，Arndt 与共同通讯作者、香港城市大学的 Din Ping Tsai（他帮助制作了复杂的超透镜表面）以及三位共同第一作者合作。 测试最终表明，超透镜可以将其 197 nm 输出聚焦到直径为 1.7 μm 的光斑上，从而将光输出的功率密度提高 21 倍。 “在这个阶段，这真的很重要，”阿恩特说。她补充说这可以使元透镜更有效。 该研究发表在《科学进展》 （www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abn5644）上。 |
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