可用于紧凑型光学系统的平面紫外聚焦镜

传统透镜和反射镜靠曲面聚焦光。超表面则用一层平面纳米结构，在局部调控光的相位，实现类似功能。把这类平面光学拓展到紫外波段，有望支撑高分辨率成像、光谱和传感的紧凑系统，但也带来一个材料上的根本难题：不少用于制作超表面的材料会强烈吸收紫外光。

斯图加特大学的研究人员另辟蹊径，把这一限制反了过来。他们没有设法让吸收材料变透明，而是让超表面把大部分光束缚在直接刻入硅中的微小空气腔里。

该器件能聚焦波长为325纳米的反射紫外光，展示了一种在合适透明材料难找的波段调控光的新思路。

相关研究成果以“”为题目，发表在《先进光子学》杂志上。

让光留在空气中，而非硅中

许多传统介质超表面依赖高折射率材料制成的微柱。光会集中在微柱内，改变微柱几何形状就能让超表面控制出射波前。硅在可见光及更长波段很适合这种用途，但到了紫外波段会强烈吸收。这样一来，被束缚在硅谐振器里的光会损耗掉，而无法被高效地重新导向。

称为米氏空腔的结构把这个思路倒了过来。研究人员不是在空气中立实心微柱来做谐振器，而是在块体硅中刻出小空气腔。光进入空腔后，会在周围硅边界上反射，形成主要集中在空气腔内的谐振模式；空气腔里吸收几乎可以忽略。这样，光场与吸收性硅的重叠就减少了。

反直觉的是，硅在紫外波段的强吸收反而有助于这种束缚。伴随吸收而来的复杂光学性质会提高空气—硅界面的反射率，帮助光留在空腔内。因此，这一策略并不是消除硅的紫外吸收，而是利用这种吸收材料的光学性质，同时让大部分谐振光场远离硅。

旋转空腔实现紫外聚焦

要把这些谐振器变成聚焦元件，空腔被做成约470纳米长、100纳米深的椭圆。圆偏振光照射椭圆空腔时，反射光会获得所谓的几何相位，大小等于空腔旋转角的两倍。在约半毫米大小的超表面上改变旋转角，就能把聚焦分布直接编码进硅里。在普通光学显微镜下，这种排布会呈现彩色环状图案，编码的聚焦设计因此直接可见。

用325纳米紫外光以45度入射角照射时，这些超表面相当于平面版的离轴抛物面镜，把光束偏转90度并同时聚焦。研究人员制作了焦距从5毫米到1.25毫米的超表面，得到的圆形焦斑最小约1微米。数值孔径到0.15时，焦斑已接近衍射极限——这是光的波动性所决定的基本分辨率极限。

在设计中加入螺旋相位，还能进一步展示波前调控的灵活性，产生所谓的轨道角动量光束。可以把它理解为光的相位绕传播轴扭转，其光束横截面呈甜甜圈形的强度分布。

单步制备，展望更短波长

这一概念的核心优势是简单。超表面在标准硅衬底上只需一步光刻和刻蚀即可制成，与成熟的半导体工艺兼容。块体衬底机械强度好，散热也有效。

此外，由于该机制能容忍甚至利用材料吸收，它可以拓展到深紫外和真空紫外波段，也能用于多种其他材料平台。再者，许多生物分子具有特征性的紫外吸收指纹，这类紧凑型紫外超表面最终有望用于集成传感。

相关链接：https://dx.doi.org/10.1117/1.ap.9.1.016002