紫外超表面实现的平顶光束整形，保持尺寸、均匀性与宽带鲁棒性

更锋利的光造就更锋利的芯片

现代芯片使用紫外光蚀刻，但光源本身并不总是能绘制出清晰的图案。激光束通常中心明亮、边缘暗淡，这会使晶圆上的微小特征模糊。本文研究了一种新型超薄光学表面，可以将紫外激光束整形为更均匀、类似台面（flat-top）的强度分布，同时不改变光束尺寸——这一技巧有助于制造更小、更可靠的电子器件。

为什么光束形状很重要

在芯片制造和其他高精度工具中，工程师希望光线像理想的均匀滚筒一样：目标的每一部分应接受几乎相同的光剂量。然而，实际的紫外激光更像聚光灯，大部分能量集中在中心、向边缘衰减。这种不均匀导致边缘模糊、刻蚀特征的侧壁倾斜，并且需要多次重叠扫描来均匀曝光。仅仅把光束变平还不够；光斑的占空面积也必须保持不变，以便照明区域与光学系统的其他部分匹配。

由平面产生的平顶光束

作者设计了一种称为超表面的平面光学元件，能够将常见的钟形光束在约300纳米的紫外波段转变为均匀的“平顶”光束。器件由一系列微小的二氧化铪柱阵列构成，这种材料在深紫外下损耗低、性能良好。每个柱子像小天线一样，通过受控延迟来调节透过光的相位。通过旋转这些柱子，超表面利用几何相位效应来塑造光波前。结果是一个中心亮度近乎恒定且宽度与入射光束紧密匹配的方形光斑。

两种实现同一目标的设计路线

研究者比较了两种确定每个微柱如何塑形光场的策略。第一种称为映射法，基于能量守恒的思想：它计算如何将原始光束中心的高能量重新分配到目标平顶图样较暗的边缘，从而给出所需相位变化的直接公式。第二种是迭代的计算方法，反复模拟光在超表面与目标平面之间传播，直到计算出的模式与目标相匹配。两条途径都能产生可行的设计，并且都可在相同的超表面平台上实现，从而进行公平的比较。

在颜色与入射角变化下的稳定性能

仿真表明，性能最好的设计能产生高度均匀的平顶光束，并在有用区域内利用近80%的入射光。更重要的是，整形后光束的宽度与起始光束的差异小于0.25%，也就是说光斑的占空面积基本得到保留。团队还测试了当紫外波长在较宽范围内变化或光线偏离法线入射最多达十度时器件的表现。平顶形状与光束尺寸在大体上保持不变，尽管在最短波长处效率有所下降，揭示了现实条件下的变化可能如何影响性能。

这对未来工具的意义

这项工作表明，超薄的图案化表面可以用紧凑的元件提供均匀且保持尺寸的紫外光束，这种元件比笨重的透镜或全息板更容易集成进现有光学系统。尽管结果基于详尽的计算模型而非实验，但它们指向了当前纳米制造工艺应能实现的实用设计。如果在实验室中得以实现，此类超表面可望提升紫外光刻、激光微加工以及其他依赖在极小区域内实现锐利均匀照明的技术。

引用: 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

关键词: 紫外超表面, 平顶光束, 光束整形, 光刻, 纳米光子学