Light: Advanced Manufacturing  深度解读

中国科学院大学杭州高等研究院张琬皎教授 & 北京理工大学光电学院张楠教授

从实验室到量产线：新型纳米压印材料与技术驱动的消色差超透镜高精度制造

超透镜作为平面光学器件的代表，为光学系统的小型化和集成化提供了全新路径。然而，色差问题严重制约其成像质量，而现有制造技术难以兼顾高精度、高效率与低成本，成为其产业化的主要瓶颈。

近日，中国科学院大学杭州高等研究院张琬皎教授联合北京理工大学光电学院张楠教授，创新性地提出了一种基于高折射率、低收缩率光刻胶的纳米压印制造新方案。该方案可在15分钟内完成从模具到成品的制备流程，并将结构收缩率控制在5%以内，成功实现了宽带消色差超透镜的高保真制造。所制器件在480–640 nm波段内焦距偏差小于2%，展现出优异的消色差聚焦性能。

相关成果以“Scalable nanoimprint manufacturing of achromatic metalenses based on a high-refractive-index and low-shrinkage photoresist”为题发表于 Light: Advanced Manufacturing 。

研究背景

超透镜由亚波长纳米结构阵列构成，能够在极薄的尺度下灵活调控光波的相位、振幅和偏振，被认为是下一代紧凑型光学系统的核心技术。与传统折射透镜相比，它兼具轻量化与设计自由度高的优势，在成像、显示、光通信等领域具有广阔的应用前景。然而，超透镜在实际应用中面临一个棘手的物理问题——色差。不同波长的光经过超透镜后无法汇聚于同一焦点，导致成像模糊、色彩失真，严重降低了器件的实用价值。

为消除色差，研究人员发展出结合传播相位与几何相位的设计策略，通过精心排布纳米柱的尺寸和转角，实现宽波段内相位的一致性调控。但这种设计对纳米结构的尺寸精度和角度精度提出了极为严苛的要求，任何微小的加工偏差都可能导致性能劣化。与此同时，超透镜的大规模制造也面临重重困难。电子束光刻虽然分辨率极高，但逐点扫描的写入方式使其吞吐量极低、成本高昂，无法满足量产需求；深紫外光刻虽能实现大面积加工，但设备昂贵且工艺步骤繁杂（包括介质沉积、刻蚀、去胶等），同样不适合低成本应用。上述瓶颈使得超透镜长期停留在实验室研究阶段，亟需一种兼顾精度、效率和成本的创新性制造技术。

创新研究

为突破上述瓶颈，研究团队将目光投向纳米压印光刻技术，这是一种通过“印章”一次性复制纳米图案的高效工艺。然而，传统纳米压印光刻胶在固化过程中普遍存在严重的体积收缩，部分材料收缩率高达20%，这会直接改变纳米柱的尺寸，破坏消色差设计的相位匹配条件。为此，团队从材料、工艺和器件验证三个维度进行了系统性创新，实现了消色差超透镜高精度、高效率、大规模的制备框架：

（1）高折射率、低收缩率光刻胶的开发：研究团队研制了一种新型复合光刻胶，以丙烯酸酯聚合物为基体，掺入二氧化钛纳米颗粒以提升折射率；同时引入硅烷和甲基丙烯酸功能化硅烷作为收缩抑制剂，通过增强无机相与聚合物基体的界面键合并调控交联网络结构，限制聚合物链段运动并促进固化过程中的应力释放，从而将横向和纵向收缩率均控制在5.19%以内。测试表明，该材料在480–640 nm波段折射率高达1.92–1.97，透光率超过99%，且纳米颗粒分散均匀（平均粒径约26 nm），远小于最小结构尺寸，确保了压印填充的完整性。

图1｜光刻胶材料表征特性

（2）快速紫外固化工作模具与高效压印工艺：传统纳米压印多采用热固化聚二甲基硅氧烷制作工作模具，固化时间长达数小时。本工作选用一种新型紫外固化树脂材料，在300 W紫外灯照射下仅需3分钟即可完全固化，配合自动压印设备，整个工作模具的制备在10分钟内完成。随后，利用该模具在旋涂有光刻胶的玻璃基底上进行压印、曝光和脱模，整个纳米压印过程仅需5分钟。这意味着，从模具到最终超透镜成品，全流程可在15分钟内完成，且模具可重复使用，为低成本量产提供了坚实支撑。

图2｜制造样品的扫描电镜和聚焦离子束扫描电镜图像

（3）高保真制造与优异消色差性能验证：为量化制造精度，团队利用扫描电镜和聚焦离子束扫描电镜对原始硅模具、工作模具和最终压印样品的纳米柱尺寸进行了系统测量。统计数据显示，所有纳米柱的宽度、长度和高度的平均收缩率分别仅为2.23%、1.87%和3.47%，最大收缩率不超过5.19%，表明该工艺实现了近乎完美的结构保真复制。基于此高精度制造，所制超透镜在480–640 nm范围内进行了光学测试。实验结果显示，不同波长下的焦距高度一致，最大偏差小于2%，聚焦光斑接近衍射极限。即使在引入实测尺寸偏差进行仿真修正后，理论预测与实验数据仍高度吻合，表明该高折射率纳米压印材料及超透镜制备方案能够实现对超原子结构尺寸的精确控制，满足消色差超透镜对高精度制造的严格要求。

图3｜超透镜的光学性能表征

总结与展望

本研究通过材料创新，并结合光学设计与纳米压印工艺的协同优化，有效解决了超透镜制造中的结构收缩失真问题，为其高精度、高效率、低成本的规模化制造提供了新的技术路径。该工作不仅验证了新型压印胶在可见光波段超透镜制造中的可行性，也为其他纳米光子器件的量产提供了通用性技术参考。未来，研究将向更大口径的超透镜阵列和晶圆级量产拓展，并探索其在紧凑型成像系统、增强现实显示和集成光子芯片中的实际应用。随着模具尺寸的增大和工艺的持续成熟，纳米压印有望成为推动超透镜从实验室走向消费电子、医疗成像和自动驾驶等领域的关键使能技术。（来源：先进制造微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.37188/lam.2026.105