硅晶圆打孔，一次光刻打造紫外光子器件

传统透镜与反射镜依靠曲面实现光线聚焦。超表面则可以借助一层平面纳米结构实现类似功能，这些纳米结构能够对光的相位进行局域调控。把这类平面光学器件拓展到紫外波段，有望支撑用于高分辨率成像、光谱分析和传感的紧凑型光学系统，但这会遇到一个根本性的材料难题：很多用于制备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提出了一种新思路，反向利用了这个短板。他们没有尝试让吸光材料变得透光，而是在硅上直接刻蚀出微小空气空腔，让大部分光被限制在空腔内部，以此搭建超表面。该器件可以对波长325纳米的反射紫外光实现聚焦，为在难以找到合适透光材料的波段调控光线提供了新方案。这项研究成果发表在《Advanced Photonics》期刊上。

在空气中而非硅内束缚光

很多传统介质超表面以高折射率材料制成的微柱为基础。光会集中在微柱内部，通过改变微柱几何形态，超表面就能调控出射波前。硅在可见光以及更长波长下表现良好，但在紫外波段会产生强烈的光吸收。如果光被限制在硅谐振结构中，就会被吸收损耗，无法高效偏折。

一种名为米氏空腔（Mie voids）的结构反转了这套思路。研究人员没有制作被空气包围的实心微柱谐振器，而是在块状硅基底上刻蚀出小型空气空腔。进入空腔的光线在硅边界上不断反射，形成谐振模式，能量主要集中在几乎没有吸收的空气空腔内。这就降低了光场和吸光硅材料之间的重叠区域。

一个反直觉的结论是：硅在紫外波段的强吸收特性反而有助于光场束缚。伴随吸收产生的复光学特性提升了空气 - 硅界面的反射率，帮助光线维持在空腔内部。该方案并没有消除硅对紫外光的吸收，而是利用这种吸光材料的光学特性，同时让大部分谐振光场远离硅本身。

旋转空腔实现紫外光聚焦

为把这些谐振结构做成聚焦元件，空腔被设计成椭圆形状，长度约470纳米，深度100纳米。当圆偏振光照射椭圆空腔时，反射光会获得几何相位，相位值等于空腔旋转角度的两倍。研究人员在这块半毫米大小的超表面上改变各个空腔的旋转角度，直接在硅基底上写入聚焦相位分布。在普通光学显微镜下，这套结构会呈现彩色环状图案，写入的聚焦设计可以直接肉眼观察。

以325纳米紫外光、45° 入射角照射时，这类超表面相当于平面离轴抛物面反射镜，可将光束偏转90° 并完成聚焦。研究制备了焦距从5毫米到1.25毫米不等的超表面，能够形成直径约1微米的圆形焦斑。在数值孔径0.15以内，焦斑接近衍射极限，也就是光波本质决定的理论分辨率上限。

研究团队还在结构排布中叠加螺旋相位，产生轨道角动量光束，进一步证明该方案对波前整形的灵活性。这类光束的相位会沿着传播轴扭转，在光束截面上呈现甜甜圈状的光强分布。

一步成型，有望拓展至更短波长

这套方案的核心优势在于工艺简单。超表面在标准硅衬底上仅需一次光刻、刻蚀即可完成制备，和成熟的半导体工艺兼容。块状硅基底机械强度高，散热性能良好。

此外，该机制能够容忍材料吸收，甚至可以借助吸收效应，因此可以拓展到深紫外、真空紫外波段，也能迁移到很多其他材料平台。很多生物分子具备特征紫外吸收光谱，这类紧凑型紫外超表面未来还有望用于集成传感场景。