纳米柱都刻歪了，为什么石英超透镜还能聚焦？

显微镜下，那批纳米柱的形状并不好看。有的侧壁倾斜，有的顶部变窄，和设计时规规整整的圆柱相去甚远。

如果这是精密光学器件的加工样品，你大概会先怀疑它的性能。可在哈佛大学的实验室里，研究人员 Luca Sacchi 测试这些二氧化硅超表面时，却发现它们仍然能把不同波长的光聚到清晰的焦点上。

这件事让团队感到意外。因为按照超透镜领域长期采用的材料选择思路，二氧化硅的折射率实在算不上突出。

2025 年 12 月，哈佛大学 Federico Capasso 团队与里斯本大学 Marco Piccardo 团队在《Nano Letters》发表研究，解释了这些“不太完美”的结构为何仍然有效。

折射率不够高，为什么还能控制光？

传统透镜依靠曲面产生不同的光程，让光在焦点处汇合。超透镜则把这件事交给表面上一根根微小的纳米柱：光穿过不同位置时，获得预先设计的相位变化，最终形成所需波前。

高折射率材料通常更容易在较薄的结构中完成相位调控。因此，可见光超透镜常研究二氧化钛（TiO₂），而熔融石英（SiO₂）的折射率大约只有 1.45，过去常被认为不够理想。

但折射率低，并不意味着无法积累足够的相位。研究使用高深宽比纳米柱来补偿这一点：论文样品的纳米柱高度约 3 微米，最小结构特征尺寸约 250 纳米。难题不再只是材料能否控光，还包括能不能把这样的微结构可靠地制造出来。

真正影响效率的，是光在里面怎样传播

研究人员关注的是周期性纳米柱阵列中的 Bloch 导模。可以把它理解为光穿过这片精细结构时允许形成的传播方式。

在某些几何尺寸下，高折射率结构可能同时支持多个导模。不同模式相互干涉，原本设计好的透射相位和能量分配就更容易受到扰动。

低折射率二氧化硅的优势是：在更宽的一段结构尺寸范围内，阵列可以保持单一主导导模传播。此时相位响应较平顺，设计和加工也更有余地。

这里有个容易误读的地方：研究并没有证明“二氧化硅永远比二氧化钛好”。当单元周期更小，或透镜需要更大的数值孔径（NA）时，高折射率材料仍可能更合适。决定结果的，是折射率、结构周期、相位梯度与模式耦合之间的组合。

几组数字，说明这次发现有多特别

论文展示的不只是模拟。研究人员制作了石英超光栅、超透镜以及产生涡旋光束的相位片，并进行了光学测量。

其中，一片设计波长为 632 nm、NA 约 0.1 的石英超透镜，在 488、532、632、658 nm 四个测试波长下，都形成了接近理想衍射极限的焦点。相应绝对衍射效率分别为 48%、52%、74% 和 70%。

要注意，“几个波长都能清晰聚焦”不等于“完全没有色差”。不同波长下的焦距和有效 NA 仍可能改变，尤其是更高 NA 的设计。

更有意思的是加工容差。论文先在数值模拟中，给纳米柱引入−50 至 +50 nm 的统一半径偏差，发现二氧化硅结构的效率对这类系统误差不太敏感。随后研究团队又实际制作了带有尺寸偏差、侧壁倾斜等缺陷的石英透镜：NA 为 0.1 和 0.5 的样品仍达到衍射极限聚焦，但绝对衍射效率分别为 71% 和 43%。

它也尚未证明石英超透镜已经实现低成本晶圆级量产。论文实验样品仍采用电子束光刻，但较大的设计尺寸和更宽的加工窗口，为未来采用更成熟的光刻流程提供了研究方向。

这和我们常见的石英窗口、滤光片有什么关系？

超透镜上的纳米柱，与常规抛光透镜、窗口片或薄膜滤光片，并不是同一种制造工艺。不过，材料选型背后的思路很相似：不要只凭折射率一个数字作决定。

例如在紫外光路里，合适等级的熔融石英通常值得优先评估，因为它可以提供较好的紫外透过与较低热膨胀；但具体到 193 nm、355 nm 或更长波长，仍要检查材料牌号、厚度与透过曲线。

在常规可见光成像中，N-BK7 一类光学玻璃可能已经足够；到了特定红外波段，硅、锗或其他红外材料才成为候选。激光系统还需要额外看吸收、表面缺陷、镀膜与损伤阈值，不能把“石英耐激光”直接理解为任意器件都能承受高功率。

还有一个值得分清的概念：作为光学基底的熔融石英，与多层干涉膜里的 SiO₂ 低折射率膜层，并不是一回事。在滤光片设计中，高低折射率膜层相互配合，利用干涉实现透射和反射控制；那与这篇论文研究的“纳米柱导模”是两套不同的控光机制。

对实际光学项目而言，更可靠的做法是把工作波长、材料、入射角、尺寸、镀膜和检测条件一起确定。激埃特光电可基于这些项目要求，对常规光学元件和镀膜方案进行技术评估；本文介绍的纳米超透镜研究不应被理解为激埃特已经具备相应纳米制造能力。

回头再看哈佛实验室里那批“刻得不太漂亮”的纳米柱，研究最耐人寻味的部分，也许并不是石英打败了哪种材料，而是提醒我们：一项光学设计的优劣，取决于光实际怎样传播，而不只是材料参数表上哪个数字更大。

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