中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所（以下簡稱“中科院光電所”）近期在超構(gòu)表面光電器件的高效設(shè)計(jì)和大面積加工方面取得了一系列重要進(jìn)展，為下一代高性能、微型化光學(xué)系統(tǒng)的發(fā)展提供了關(guān)鍵的技術(shù)支撐。

超構(gòu)表面是由亞波長尺度的人工微結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成的二維平面光學(xué)器件，能夠以極高的自由度調(diào)控光波的振幅、相位和偏振等特性。與傳統(tǒng)光學(xué)元件相比，超構(gòu)表面具有輕薄、集成度高、功能多樣等顯著優(yōu)勢，在成像、顯示、傳感、通信及量子光學(xué)等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。如何實(shí)現(xiàn)復(fù)雜功能器件的快速、精準(zhǔn)設(shè)計(jì)，以及如何將實(shí)驗(yàn)室尺度的納米加工技術(shù)拓展至實(shí)用化的大面積、低成本制造，一直是制約其產(chǎn)業(yè)化的兩大核心瓶頸。

針對高效設(shè)計(jì)難題，中科院光電所的研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地發(fā)展了基于深度學(xué)習(xí)和拓?fù)鋬?yōu)化的智能設(shè)計(jì)方法。通過構(gòu)建大規(guī)模的微結(jié)構(gòu)單元性能數(shù)據(jù)庫，并訓(xùn)練深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，實(shí)現(xiàn)了對超構(gòu)表面光場調(diào)控特性的快速、精準(zhǔn)預(yù)測與逆向設(shè)計(jì)。該方法將傳統(tǒng)“試錯(cuò)”式或基于經(jīng)驗(yàn)參數(shù)掃描的設(shè)計(jì)周期從數(shù)天甚至數(shù)周縮短至數(shù)小時(shí)，極大提升了設(shè)計(jì)效率與器件性能上限。研究人員成功將這一方法應(yīng)用于寬波段消色差透鏡、多功能全息圖以及特殊光束生成器等復(fù)雜功能器件的設(shè)計(jì)，驗(yàn)證了其卓越的有效性與通用性。

在大面積加工方面，團(tuán)隊(duì)在納米壓印、激光直寫等微納制造技術(shù)基礎(chǔ)上取得了關(guān)鍵突破。他們開發(fā)了一種新型的、與CMOS工藝兼容的并行制造工藝，攻克了高深寬比納米結(jié)構(gòu)均勻性控制、大面積圖案保真度維持以及加工缺陷控制等技術(shù)難題。該工藝能夠在數(shù)英寸乃至更大尺寸的基板上，一次性高效、高精度地制備出性能一致的超構(gòu)表面器件陣列，顯著降低了單個(gè)器件的制造成本，為規(guī)模化生產(chǎn)鋪平了道路。利用該技術(shù)，團(tuán)隊(duì)已成功制備出高性能超構(gòu)透鏡陣列，其在可見光至近紅外波段均表現(xiàn)出優(yōu)異的成像質(zhì)量，為手機(jī)攝像模組、車載傳感器、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）眼鏡等消費(fèi)電子和工業(yè)應(yīng)用提供了全新的解決方案。

這些進(jìn)展標(biāo)志著我國在超構(gòu)表面這一前沿光學(xué)領(lǐng)域的設(shè)計(jì)與制造能力達(dá)到了新的高度。高效智能設(shè)計(jì)方法與大規(guī)模可靠加工工藝的結(jié)合，不僅加速了實(shí)驗(yàn)室成果向?qū)嶋H應(yīng)用的轉(zhuǎn)化，也為未來在片上光學(xué)系統(tǒng)、超緊湊光學(xué)引擎、高性能光學(xué)偽裝等更廣闊領(lǐng)域的探索奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。中科院光電所的相關(guān)成果已發(fā)表于《自然·通訊》、《先進(jìn)材料》等國際頂尖學(xué)術(shù)期刊，并申請了多項(xiàng)核心發(fā)明專利，展現(xiàn)了我國科研機(jī)構(gòu)在該領(lǐng)域的創(chuàng)新活力與競爭力。可以預(yù)見，隨著這些關(guān)鍵技術(shù)的持續(xù)優(yōu)化與整合，超構(gòu)表面光電器件有望在不遠(yuǎn)的深刻改變眾多技術(shù)領(lǐng)域的面貌。