在芯片光刻和光电子行业，往往需要借助高数值孔径（Numerical Aperture，NA）的透镜和浸液以实现亚波长的超高分辨率成像。在近年来不断发展的超表面（Metasurface）实现高效的光聚焦和光束整形后，这场关于成像分辨率的较量正逐渐向超高数值孔径的光学元器件发展。到目前为止，已证明的最高数值孔径NA = 1.1，主要也是通过TiO2超透镜（Metalens）和背浸式（back-immersion）光学系统实现。与TiO2相比，硅的高折射率使我们能够进一步推动NA。近日，来自中山大学的李俊韬副教授课题组、汕头大学的谢向生副教授和英国约克大学的Thomas F. Krauss教授向我们展示了基于晶体硅（c-Si）在可见光范围内具有极高数值孔径和高透射率的光学超透镜。该设计采用几何相位方法，也称为Pancharatnam-Berry（P-B）相，通过使用混合优化算法（HOA）确定纳米砖结构的布局。在空气中，该超透镜具有NA = 0.98、274nm的带宽（Full Width at Half-Maximum, FWHM）和聚焦效率为67％（532nm），接近于TiO2超透镜的性能。特别的是，该超透镜可以通过前浸入（front-immersed）浸油的方式，实现NA = 1.48的超高数值孔径，在理论上更是可以高达1.73，这是目前所知可见光范围下的数值孔径最高值。同时，该超透镜的制造过程与硅基微电子技术完全兼容，具有良好的技术扩展性；前浸入式设计有利于实现超高数值孔径显微镜以及浸入式双合透镜（doublets），从而有利于将超表面器件推向高分辨率、低成本共焦显微镜和消色差透镜等实际应用中去。相关研究成果发表在近期的《Nano Letters》上。

在芯片制造的核心工艺——光刻，采用数值孔径较大的聚焦透镜是实现10纳米亚波长尺度器件加工能力的关键之一；这里所提出的极高数值孔径超材料，也许能为这一领域的超高分辨成像和聚焦提供一些思路。

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