解決國內(nèi)光刻機(jī)的技術(shù)瓶頸，是香港城市大學(xué)電機(jī)工程系教授蔡定平團(tuán)隊(duì)近期一項(xiàng)工作的研究初衷。其研發(fā)出一款新型真空紫外光超構(gòu)透鏡，可用于半導(dǎo)體制作、光化學(xué)、材料科學(xué)等，所產(chǎn)生的聚焦真空紫外光源，也能廣泛用于微納光刻等高端工業(yè)領(lǐng)域。未來延伸到更短波長之后，可用于光刻機(jī)。

▲圖 | 左為陳沐谷博士、右為蔡定平教授（來源：課題組）

這款基于真空紫外光的新型非線性超構(gòu)透鏡，能同時(shí)產(chǎn)生和聚焦真空紫外光，直徑為 45 微米。它可通過二次諧波產(chǎn)生過程，將波長 394 納米的紫外光、轉(zhuǎn)為波長 197 納米的真空紫外光，并能將轉(zhuǎn)換后的真空紫外光聚焦，聚焦之后的光斑直徑小于 200 萬分之 1 米。

（來源：Science Advances）

根據(jù)美國萊斯大學(xué)合作者的測(cè)試，相比超構(gòu)透鏡表面的平均功率密度，聚焦光點(diǎn)的功率密度可提高 21 倍。

概括來說，該課題組首次發(fā)現(xiàn)、并提出真空紫外非線性超構(gòu)透鏡的新概念。針對(duì)傳統(tǒng)真空紫外器件材料吸收強(qiáng)、系統(tǒng)體積大、復(fù)雜度高等問題，這款超構(gòu)透鏡將其一舉攻克，借此為非線性真空紫外產(chǎn)生和所產(chǎn)生光的聚焦，提供了一種高度緊湊的解決方案，并且無需額外的光學(xué)元件。

詳細(xì)來說，真空紫外光的波長范圍通常為 100 至 200 納米。由于它的光子能量高，以及鑒于光和物質(zhì)的相互作用更強(qiáng)，所以真空紫外輻射能廣泛用于材料表征與加工、生物技術(shù)等。

但在目前仍然面臨兩大缺乏：低損耗的光學(xué)元件、緊湊型的相干光源。這直接導(dǎo)致該波長范圍內(nèi)的新應(yīng)用無法更快“誕生”。而幾乎所有用于傳統(tǒng)鏡片的玻璃類型，都不適用于真空紫外光，因?yàn)樗鼈冊(cè)?100 至 200 納米的波長范圍內(nèi)具有很強(qiáng)的吸收力。

（來源：Science Advances）

在當(dāng)下，只有氟化鈣和氟化鎂等少數(shù)材料，可被用于真空紫外透射型透鏡。然而這些材料相對(duì)脆弱，限制了薄透鏡的實(shí)際制造和設(shè)計(jì)。另外，盡管反射光學(xué)可以消除強(qiáng)真空紫外吸收，但卻顯著增加了真空紫外系統(tǒng)的體積和復(fù)雜度。

說到這里，就得介紹一下相干真空紫外光源，其歷來是一種大型的固定波長準(zhǔn)分子激光器，需要較大的實(shí)驗(yàn)室占地面積、以及大量氣體處理設(shè)備。

此前，人們將固態(tài)激光光源與非線性光學(xué)過程結(jié)合，讓相干真空紫外光的研究得以拓展。其中，從稀有氣體蒸汽中的級(jí)聯(lián)三倍頻、到產(chǎn)生高度級(jí)聯(lián)諧波的這一過程，是將低光子能量相干光源轉(zhuǎn)換為更高光子能量光源的有效方法。

在更高效率的上轉(zhuǎn)換過程里，非線性光學(xué)晶體中的二次諧波產(chǎn)生，會(huì)嚴(yán)重受制于真空紫外波長的相位匹配以及光吸收。因此，要想進(jìn)一步利用電磁光譜區(qū)域，亟需新型真空紫外光的產(chǎn)生和調(diào)控方法。

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