斯图加特大学的研究人员设计出一种平面的硅基超构表面，能够将紫外（UV）光聚焦到直径仅为1微米的圆形光斑上。这一进展解决了光学工程中的一个重大障碍：虽然硅是许多电子产品和可见光光学器件的理想材料，但它通常会吸收紫外辐射，而不是反射或透射。
克服硅的紫外吸收
传统的介质超构表面依赖高折射率材料（如硅）来控制光线。然而，在紫外波长下，硅会产生强烈的吸收，导致光线转化为热能而非被重新定向。这使得为高分辨率成像或光谱分析等紫外应用创建高效的平面光学器件变得十分困难。
斯图加特团队通过创建“Mie空腔”反转了这一问题。他们不是使用固体柱体来聚集光线，而是将微小的空气腔体蚀刻到块状硅中。进入这些空腔的光线会从周围的硅边界反射，产生主要集中在空气腔内的共振模式，而那里的吸收极低。
这张图片展示了研究中描述的硅基超构表面及其“Mie空腔”的物理结构。
“与其试图让吸收材料变透明，他们的超构表面将大部分光线限制在直接蚀刻到硅中的微小空气腔内。”
— Air holes turn silicon wafers into flat ultraviolet focusing mirrors for compact optics
通过几何相位编码聚焦
为了将这些谐振器转化为聚焦元件，研究人员将空腔塑造成长度约为470纳米、深度为100纳米的椭圆形。当圆偏振光撞击这些椭圆形空腔时，反射光会根据空腔的旋转角度获得“几何相位”。
通过改变这些椭圆在半毫米大小表面上的旋转角度，研究人员将聚焦剖面直接编码到硅中。在标准显微镜下，这种设计呈现为一系列彩色环状图案，有效地充当了离轴抛物面镜的平面等效器件。
性能与可扩展性
在45度入射角下使用325 nm紫外光进行测试时，超构表面在聚焦的同时将光束重定向了90度。团队成功制造了焦距范围从1.25 mm到5 mm的表面，在数值孔径为0.15时产生的光斑接近衍射极限。
由于该机制实际上受益于吸收材料的光学特性，该设计可以扩展到深紫外和真空紫外范围。此外，该工艺与成熟的半导体光刻和蚀刻工艺兼容，使其成为集成传感和紧凑型光学系统的可行路径。