硅明明会吸收紫外光，为什么还能做成紫外聚焦反射镜？

激埃特光电 · 光学研究观察

从材料吸收到纳米光场设计

把一束325纳米的紫外光打到抛光硅片上，一部分被表面反射，其余进入硅内部的光会在很浅的区域内被强烈吸收。德国斯图加特大学的研究人员却在硅片表面刻出密密麻麻的椭圆形纳米孔，让一块几乎平坦的硅片完成反射聚焦。

这项实验的三个关键数字

在这一特定紫外波段，硅强烈吸收光，因此并不适合直接充当常规的紫外透射光学材料。然而，研究人员却让入射的紫外光在反射后转向90°，再汇聚成约1微米的光点。硅本身的吸收特性没有改变，改变的是共振光场主要分布在哪里。

曲面反射镜能聚焦，是因为镜面的弯曲让不同位置反射出来的光到达焦点时步调一致。超表面换了一种做法：表面基本是平的，上面排布着大量细小的纳米结构，每个结构都可以帮助调节光波的相位。用精心设计的相位差代替镜面弯曲带来的路程差，同样有机会让反射光在预定位置汇聚。

在一些可见光和近红外的介质超表面设计中，研究人员会使用硅、二氧化钛等高折射率材料制作纳米柱。光场部分集中在柱子内部，通过改变柱子的形状和尺寸来调控光的响应。但在325纳米附近，硅的吸收很强。若光场主要集中在硅中，损耗就会限制共振和波前控制。既具备合适折射率、又在紫外波段足够低损耗的材料选择有限，紫外超表面因此格外难做。

斯图加特团队把结构反了过来：不在空气里竖起硅柱，而是在整块硅的表面刻出空气孔。这类结构被称为米氏空腔（Mie void）。它利用材料界面上的反射和电磁共振，让光场更多地分布在孔内的空气区域。

可以把空腔想成一间由硬墙围起来的房间。声音在墙壁之间反射，能量可能在房间中积聚。米氏空腔的真实机制当然是电磁场的共振，并非声波反射，但这个比喻有助于理解：能量不一定要主要留在构成“墙”的硅里。

光场与硅材料的重叠减少，吸收损耗便有机会降低。更反直觉的是，硅在紫外的复杂光学常数还会增强空气与硅界面的反射，帮助光场停留在空腔中。这里没有让硅变透明，也没有让所有损耗消失；研究人员只是调整了光与吸收材料相互作用的方式。

这条思路此前已有铺垫。2023年，同一研究方向的团队利用聚焦离子束，在硅片中加工出纳米空腔，实验观察到共振限光现象可延伸到265纳米紫外波段。但当年的结果验证的是空腔的共振与光场局域化，并不是本次的325纳米反射聚焦。

为了实现聚焦，研究人员把空腔设计成椭圆形：长轴约470纳米、深度约100纳米，并把它们排布在半毫米量级的区域内。各个椭圆孔的主要区别，并不在尺寸，而在于旋转方向。

其中的关键是几何相位。圆偏振光与旋转的椭圆空腔相互作用时，用于几何相位调控的反射偏振分量，其相位变化与孔洞的旋转角成两倍关系。通俗地说，把椭圆孔旋转45°，对应的几何相位变化幅度就是90°；继续按照预先计算的规律排列，就能在平面上写出一张用于聚焦的相位分布图。

这些按规律旋转的小孔，放到普通光学显微镜下还能呈现带有颜色的环状图案。研究采用光刻与刻蚀在硅上制备结构，为后续半导体工艺集成提供了一种可能的制造路线，但这并不等同于已经完成工业量产验证。

实验采用类似离轴抛物面反射镜的光路设计。在325纳米紫外光以45°入射时，超表面让反射光整体改变90°传播方向，并汇聚到预定焦点。与真正加工出曲面不同，这种聚焦来自平面上每个纳米孔共同形成的相位分布。

研究人员制作了焦距从5毫米到1.25毫米的一系列样品，最小得到约1微米的圆形焦斑。焦点能缩到多小，除了设计和加工精度，还受到光的衍射限制。研究报道指出，在数值孔径不超过0.15的样品范围内，焦斑尺寸接近衍射极限。这说明该结构确实能实现精细的反射波前控制。

研究人员还在聚焦设计上叠加螺旋相位，形成具有轨道角动量特征的光束，横截面呈中心较暗、周围较亮的环形分布。也就是说，只要重新设计孔洞方向，同一种基本结构就有机会实现不同的光波整形功能。

反射效率、不同偏振和入射角下的容差、批量加工一致性及长期稳定性，都仍是未来工程化时需要面对的问题。当前成果更准确的定位，是一种实验室中经过验证的光学设计路线，而不是可以直接取代传统紫外反射镜的成熟产品。

传统反射镜通常通过金属膜或介质膜控制反射特性，再由镜面曲率决定聚焦方式。超表面则把反射光带着怎样的相位、朝哪个方向传播，交给表面上的纳米结构逐点调节。两条路线各有适用范围，评价时都不能只看一个漂亮的焦点，还要考虑工作波长、效率、损耗、入射角和偏振条件。

回到最初那个看起来矛盾的问题：这项研究没有让硅停止吸收紫外光，而是将主要共振光场限制在硅表面的空气孔里，再通过旋转椭圆空腔，为反射光安排合适的相位。材料原有的短板仍在，却被巧妙的结构设计部分绕开，甚至在局域共振中被利用。