通过直接压印五氧化二钽复合材料扩展紫外—可见超透镜的界限

为何微小的光塑形表面重要

设想一枚薄如塑料片的相机透镜，能以高保真聚焦紫外和可见光。这类平面光学元件称为超表面，能将显微镜、投影仪和传感器缩小到口袋尺寸。该研究探索了一种更简便地构建这些精细光塑形表面的方法，并将工作波段拓展到从深紫外到可见光的更宽色域，方法结合了一种巧妙的材料与一步类印章的制造工序。

平面光学亟需更好的配方

超表面通过成列的微小柱状或柱塞状结构来工作，每个结构尺寸都小于光的波长，用以精确扭转和延迟光波。它们可以成像、会聚光束，或以不同寻常的光模式编码信息。然而，要实现从紫外到可见光工作的超表面一直很困难。对光有强烈弯曲作用的材料常常在紫外段出现吸收，而那些在紫外透明的材料又往往不足以显著弯曲光线。再加上传统制造依赖逐层刻蚀的缓慢昂贵工艺，这都不利于大规模生产。

用于清晰紫外—可见控制的新型复合材料

研究人员通过将极细的五氧化二钽颗粒分散到可紫外固化的树脂中来解决材料问题，得到他们所称的颗粒嵌入树脂。这些颗粒大多小于40纳米，对光学来说表现为均匀的光学介质，而非颗粒状混合物。测量显示，该复合材料在300纳米波长处具有约1.9的相对较高折射率，同时从紫外边缘到可见范围内几乎无损耗。薄膜测试揭示了平滑的表面、极低的散射以及保留颗粒晶体结构的内部构造，这有助于保持其理想的光学特性。

压印出成片的纳米柱阵

为了解决制造难题，团队采用纳米压印光刻，这种方法在原理上类似于将图案压入软材料的印章。他们先用高分辨率工具仅一次性制作出具有所需纳米尺度形状的硬质母模。然后由此翻制出可重复使用多次的两层柔性软模。将五氧化二钽树脂滴入软模，待溶剂挥发，再将模具压到玻璃基底上并在紫外光下固化。通过精细调控压力、固化时间和颗粒负载，他们获得了纵横比超过7.5的高且成形良好的柱体，而无需额外的刻蚀或沉积。该工艺能忠实再现矩形柱和圆柱两种结构，它们是不同类型超表面的构件单元。

平面全息与紫外透镜的演示

基于该平台，作者构建了两个演示器件。第一个是由两百万个矩形柱组成的全息超表面，其方向编码出预期图像。由于此类全息利用与方向相关而非颜色相关的几何相位，同一图案可在320至635纳米范围内工作。实验显示该全息在此波段内能重构清晰图像，在320纳米处的转换效率最高达64%。第二个器件是针对320纳米光的金属透镜，由圆柱柱按直径分布以控制透射光相位构成。该平面透镜仅有几百纳米厚，可将紫外光聚焦至接近衍射极限，测得的聚焦效率为61.3%，并能分辨显微学用的细小测试图案。

对未来平面光学的意义

简而言之，这项研究表明，将高折射率的五氧化二钽复合材料与类印章的图案化方法结合，可以制造出从紫外到可见工作且性能优良的平面光学元件，而无需传统昂贵的多步处理工序。该方法支持不同的纳米结构和相位控制手段，表明可适配多种透镜、全息和其他紧凑光学组件。随着进一步改进与规模化，这种方法有望将平面光学转化为可制造的实用部件，用于成像、传感、安全数据编码和便携式紫外仪器等领域。

引用: Lee, E., Kang, H., Yun, H. et al. Extending the boundaries of ultraviolet-visible meta-optics via direct imprinting of tantalum pentoxide composite. Microsyst Nanoeng 12, 202 (2026). https://doi.org/10.1038/s41378-026-01255-8

关键词: 超表面, 紫外光学, 金属透镜, 纳米压印光刻, 五氧化二钽