Ультрафиолетовая метаповерхность для формирования плоского пучка с сохранением размера, равномерностью и широкой полосой пропускания

Более чёткий свет для более чётких микрочипов

Современные микрочипы травят с помощью ультрафиолетового света, но сам свет далёк от идеала для нанесения резких узоров. Лазерные пучки обычно имеют ярный центр и тусклые края, что может размывать мелкие элементы на пластине. В этом исследовании рассматривается новая сверхтонкая оптическая поверхность, которая преобразует ультрафиолетовые лазерные пучки в более равномерный, «столоподобный» профиль без изменения размера пучка — приём, который может помочь создавать более мелкие и надёжные электронные устройства.

Почему форма пучка света важна

В производстве чипов и других прецизионных инструментах инженерам нужен свет, действующий как идеальный валик краски: каждая часть мишени должна получать почти одинаковую дозу. Реальные ультрафиолетовые лазеры, однако, скорее похожи на прожекторы: большая часть энергии сосредоточена в центре и убывает к краям. Такой неравномерный профиль приводит к размытым краям, наклонным стенкам в вытравленных структурах и необходимости многократных перекрывающихся проходов для выравнивания экспозиции. Недостаточно просто «выровнять» пучок — его след также должен сохранять прежний размер, чтобы освещаемая область соответствовала остальным элементам оптической системы.

Плоские пучки с плоской поверхности

Авторы предлагают плоский оптический элемент, называемый метаповерхностью, который превращает знакомый колоколообразный пучок в равномерный «плоский» пучок в ультрафиолетовой области около 300 нанометров. Устройство состоит из решётки крошечных столбиков из диоксида гафния — материала с низкими потерями для глубокого ультрафиолета. Каждый столбик действует как небольшой антенноподобный элемент, задерживающий прохождение света на контролируемую величину. Поворачивая эти столбики, метаповерхность использует эффект геометрической фазы для формования фронта волны. В результате получается квадратный пучок с почти постоянной яркостью в центре и шириной, близкой к ширине входного пучка.

Два подхода к одному и тому же трюку

Исследователи сравнивают две стратегии определения, как каждый маленький столбик должен формировать свет. Первый, называемый методом отображения, исходит из идеи сохранения энергии: он вычисляет, как перенести свет из яркого центра исходного пучка к более тёмным краям желаемого плоского профиля, давая прямую формулу для требуемых сдвигов фазы. Второй, итерационный компьютерный метод, многократно моделирует распространение света туда и обратно между метаповерхностью и целевым пучком, пока рассчитанный профиль не совпадёт с целью. Оба пути дают рабочие проекты, которые можно реализовать на одной и той же платформе метаповерхности, позволяя провести честное сравнение.

Стабильная работа по цвету и углам

Моделирование показывает, что наилучший проект формирует плоский пучок с очень высокой равномерностью и использует почти 80 процентов входящей энергии в полезной области. Самое важное — ширина сформированного пучка отличается от ширины исходного менее чем на одну четверть процента, то есть след фактически сохраняется. Команда также проверила поведение устройства при изменении ультрафиолетового цвета в широком диапазоне и при падении света под углами до десяти градусов от нормали. Форма плоского пучка и его размер по большей части сохраняются, хотя эффективность падает на самых коротких длинах волн, что показывает, как реальные вариации могут влиять на работу.

Что это значит для будущих инструментов

Работа указывает на то, что сверхтонкие паттернизированные поверхности могут обеспечивать равномерные ультрафиолетовые пучки с сохранением размера, используя компактный элемент, который легче встроить в существующие оптические системы по сравнению с громоздкими линзами или голографическими пластинами. Хотя результаты основаны на детальных компьютерных моделях, а не на экспериментах, они дают направление для практических разработок, которые современные методы нанофабрикации должны уметь изготовить. Если такие метаповерхности удастся реализовать в лаборатории, они могут помочь улучшить ультрафиолетовую литографию, лазерную микрорезку и другие технологии, зависящие от чёткого и равномерного освещения очень малых областей.

Цитирование: Li, W., Li, J., Zhao, T. et al. Ultraviolet metasurface-enabled flat-top beam shaping with size preservation uniformity and broadband robustness. Sci Rep 16, 15687 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45434-z

Ключевые слова: ультрафиолетовая метаповерхность, плоский пучок, формирование пучка, литография, нанофотоника