穿孔硅超透镜可聚焦紫外线

10-121nm波长的极紫外光对于执行超快光谱和在计算机芯片上压印越来越小的晶体管非常有用，但它也非常难以利用。辐射被多种材料强烈吸收，因为它的能量超过了与之相互作用的元素的电子跃迁能量。为了控制辐射，研究人员通常使用笨重的镜子以掠射角引导辐射。现在，来自哈佛大学和奥地利格拉茨科技大学的Marcus Ossiander、Federico Capasso、Martin Schultze 及其同事设计了一种有效传输和聚焦极端紫外线辐射的方法。

这项新技术是对称为超表面的平面超材料发展的转折，它通过亚波长尺寸组件的周期性模式来操纵特定波长的光。这些表面的一个子集，称为超透镜，以这样一种方式散射光，使其聚焦，就像它通过传统光学透镜时一样。通常，超表面的微小组件以柱子、圆盘或其他略微凸起的特征形式出现。这不是Ossiander团队的选择，因为它们只会吸收紫外线辐射。相反，研究人员决定使用在材料中钻出的纳米孔形式的空气作为波导。通过将孔嵌入折射率小于空气值1的材料中，周围的衬底将引导入射辐射，而不会与之直接相互作用。

对于超透镜，研究人员选择了硅，它对50nm光的折射率约为0.77。他们对穿孔硅与辐射的相互作用进行了数值模拟，并评估了各种尺寸的孔的多种排列方式。在确定最佳方向后，研究人员在直径为1毫米的硅晶片上蚀刻了数亿个20-80纳米的孔，以制造焦距为10毫米的透镜。如上图所示，Ossiander及其同事通过向氩原子气体发射近红外激光对他们的发明进行测试。激光光子使原子电离并产生极紫外阿秒脉冲，然后穿过超透镜。产生的UV光束聚焦到约0.7µm的最小直径，小于衍射极限的2倍。

超透镜并不完美。尽管它聚焦了近一半的通过它的辐射，但近90%的入射辐射被吸收或以其他方式丢失。尽管如此，任何极端紫外线范围内的镜头都可能对半导体光刻等应用有用。研究人员希望开发出一种显微技术，其分辨率能够揭示发生在纳米尺度的阿秒事件。

该研究发表于《科学》期刊上

DOI:10.1126/science.adg6881