Исследователи из Токийского университета и компании JSR Corp. разработали метод изготовления плоских линз Френеля с использованием стандартного оборудования для производства полупроводников. Эта технология может значительно упростить и удешевить производство оптических устройств.

Результаты исследования демонстрируют возможность изготовления с помощью обычного шагового двигателя — стандартного оборудования в полупроводниковой промышленности. Этот метод значительно упрощает и удешевляет процесс производства плоских линз по сравнению с традиционными методами изготовления метаповерхностей, которые требуют сложной и дорогостоящей нанолитографии.

Источник: DALL-E

«Мы разработали простой и массовый метод производства с использованием обычной системы полупроводниковой литографии, или шагового двигателя. Это стало возможным благодаря особому типу фоторезиста, называемому цветным резистом, который изначально был разработан для использования в качестве цветных фильтров. Простым покрытием, экспонированием и проявлением этого материала мы создали линзы, способные фокусировать видимый свет до всего лишь 1,1 микрона, что примерно в 100 раз тоньше человеческого волоса», — пояснил доцент Куниаки Кониси из Института фотонной науки и технологий.

Цветной резист — это светочувствительный материал (УФ-отверждаемая смола, содержащая абсорбирующий агент для экранирования определенных длин волн видимого света), который изначально был разработан для использования в качестве цветных фильтров. 

Процесс изготовления включает три ключевых этапа. Сначала происходит нанесение цветного резиста на стеклянную подложку, при этом используются три типа: красный (RED-101), зелёный (JSSG-9135) и синий (BLUE-105). Каждый тип резиста поглощает свет в определённом диапазоне, что позволяет создавать амплитудные линзы, работающие на разных длинах волн. Неотверждённые части резиста, не подвергшиеся воздействию ультрафиолетового излучения, можно растворить в щелочном проявителе, что позволяет формировать субмикроструктуры с абсорбционными характеристиками. Затем выполняется экспонирование в УФ свете с длиной волны 365 нм. Наконец, проводится проявление, при котором удаляются неэкспонированные области, формируя структуру пластинки.

Готовая монохромная линза формируется на пластине и внешне напоминает кремниевые микросхемы до их интеграции в более крупные электронные устройства.
Источник: Konishi et al. CC-BY-ND

Исследователи успешно изготовили линзы различных размеров на 8-дюймовой подложке. Для демонстрации были выбраны линзы диаметром 3,0 мм (красный резист), 4,5 мм (зелёный резист) и 3,7 мм (синий резист).

Эффективность фокусировки линзы из синего резиста при длине волны 550 нм составила 7,2% с погрешностью 0,8%. Это значение было получено экспериментально путём измерения мощности света, сфокусированного в области, равной трём значениям ширины пучка на половине высоты (FWHM). Численное моделирование показало, что при использовании монохроматического света номинальная эффективность фокусировки линзы может достигать 10,9%.

Исследователи также разработали симуляции, которые хорошо соответствуют экспериментальным результатам. «Это означает, что мы можем адаптировать конструкции для соответствия конкретным приложениям в различных областях, таких как медицина, прежде чем приступить к производству», — пояснил Кониси. Такой подход позволяет оптимизировать адаптировать конструкции для конкретных приложений в различных областях, таких как медицина, астрономия и бытовая электроника.

Минимальный размер фокусируемого пятна света, достигнутый в исследовании, составляет 1,1 мкм. Это значение было получено при фокусировке света с длиной волны 550 нм с помощью плоской линзы Френеля, изготовленной из синего цветового резиста. Этот размер практически совпадает с минимальной шириной линии, достигнутой при изготовлении линзы, что указывает на прямую связь между разрешающей способностью производственного процесса и оптическими характеристиками получаемых линз.

На изображении представлены результаты стандартного отраслевого теста оптической точности, демонстрирующего разрешающую способность испытуемых плоских линз Френеля. Белая масштабная линейка на изображении соответствует длине 5 микрометров.
Источник: Konishi et al. CC-BY-ND

Новая технология имеет ряд преимуществ перед традиционными методами производства. Она отличается простотой и масштабируемостью, так как метод легко реализуется и может быть адаптирован для массового производства. Экономическая эффективность достигается за счёт использования стандартного оборудования для фотолитографии, что снижает стоимость производства. Процесс также является экологичным, поскольку исключает необходимость использования токсичных травильных химикатов и значительно снижает потребление энергии. Кроме того, экспериментальные результаты демонстрируют высокую точность изготовления плоских линз Френеля, что подтверждает надёжность и эффективность данного метода.

Несмотря на то, что эффективность новых линз пока что уступает традиционным линзам, находящимся в производстве, они обладают значительным потенциалом для изменения оптики в различных отраслях промышленности.

«Текущий недостаток заключается в низкой эффективности сбора света, что приводит к образованию шумных изображений. Однако наша команда уже работает над способами увеличения этого показателя в четыре раза, изменяя способ использования цветных резистов. Для этого потребуется более строгий контроль над физическими свойствами, чем тот, который был доступен нам на момент проведения исследования», — отметил Кониси.

Хотя может пройти некоторое время, прежде чем такие линзы найдут применение в потребительской электронике, такой как ультратонкие смартфоны, эта технология или её производные имеют потенциал появиться на рынке в ближайшем будущем.