纳米光子学先驱娜奥米·哈拉斯(Naomi Halas)和他的同事们通过在氧化锌微观薄膜表面精确刻蚀数百个小三角形，创造了一种“超透镜”，可以将入射的长波紫外线(UV- a)转化为聚焦的真空紫外线(VUV)辐射输出。VUV用于半导体制造、光化学和材料科学，历史上使用它的成本很高，部分原因是它被用于制造传统透镜的几乎所有类型的玻璃吸收。

Halas说:“这项工作特别有希望，因为最近的演示表明，芯片制造商可以用cmos兼容的工艺扩大超表面的生产规模。科学的进步．“这是一项基础研究，但它清楚地指出了一种高通量制造紧凑型VUV光学元件和器件的新策略。”

Halas的团队展示了其微观超透镜可以将394纳米的紫外线转化为197纳米的紫外聚焦输出。这种圆盘状的超构透镜是一种透明的氧化锌薄片，比一张纸还薄，直径只有1米的45百万分之一。在演示中，一个394纳米的UV-A激光照射在圆盘的背面，研究人员测量了从另一面发出的光。

该研究的第一作者之一凯瑟琳·阿恩特(Catherine Arndt)是哈拉斯研究小组的一名应用物理学研究生，她说超构透镜的关键特征是它的界面，它的前表面布满了小三角形的同心圆。

“界面是所有物理现象发生的地方，”她说。“我们实际上是在传递一种相移，改变光的移动速度和传播方向。我们不需要收集光输出，因为我们使用电动力学将其重新定向到产生光的界面。”

紫光是人类能看见的波长最低的光。紫外线的波长更低，在400纳米到10纳米之间。真空紫外线波长在100-200纳米之间，因其被氧气强烈吸收而得名。今天使用VUV灯通常需要一个真空室或其他专门的环境，以及机械来产生和聚焦VUV。

“传统材料通常不会产生紫外线，”阿恩特说。“如今，它是用非线性晶体制成的，体积庞大，价格昂贵，而且经常受到出口控制。结果是VUV非常昂贵。”

在之前的工作中，Halas、莱斯大学物理学家Peter Nordlander、前莱斯大学博士生Michael Semmlinger和其他人证明，他们可以将394纳米的紫外转化为197纳米的具有氧化锌超表面的紫外。和超构透镜一样，超表面是一层表面有图案的氧化锌透明膜。但所需的模式并不复杂，因为它不需要聚焦光输出，阿恩特说。

“超透镜利用了这样一个事实，即当光线照射到物体表面时，其性质会发生变化，”她说。“例如，光在空气中的传播速度比在水中快。这就是为什么你会在池塘表面得到反射。水的表面是界面，当阳光照射到界面时，有一点会被反射掉。”

先前的工作表明，超表面可以通过一种称为二次谐波产生的倍频过程上转换长波紫外线来产生紫外。但VUV的成本很高，部分原因是它生产出来后的操作成本很高。她说，商用的这种系统可以装满冰箱或紧凑型汽车那么大的柜子，价格高达数万美元。

阿恩特说:“对于超透镜来说，你既要产生光，又要操纵它。”“在可见光波段，超构透镜技术已经变得非常高效。虚拟现实耳机就利用了这一点。近年来，超透镜在可见光和红外波段也得到了证明，但在更短的波长上还没有人做过。而且很多材料都会吸收紫外线。所以对我们来说，这是一个全面的挑战，看看‘我们能做到吗?’”

为了制作这些超构透镜，Arndt与香港城市大学的共同通讯作者蔡丁平(Din Ping Tsai)合作，他帮助制作了复杂的超构透镜表面，并与三位共同第一作者合作:Semmlinger(2020年毕业于莱斯大学)、Ming Zhang(2021年毕业于莱斯大学)和Ming Lun Tseng(台湾国立杨明交通大学助理教授)。

莱斯大学的测试表明，超透镜可以将其197纳米的输出聚焦到直径为1.7微米的点上，将光输出的功率密度提高了21倍。

Arndt说，现在说这项技术是否能与最先进的VUV系统竞争还为时过早。

“在这个阶段，这真的很重要，”她说。“但它有很大的潜力。它可以做得更有效率。在第一项研究中，问题是，“它有效吗?”在下一阶段，我们会问，‘我们能做得多好?’”

Halas是莱斯大学斯坦利·c·摩尔电子与计算机工程教授，莱斯大学small - curl研究所所长，化学、生物工程、物理和天文学、材料科学和纳米工程教授。爱博网站Nordlander是这项研究的合著者之一，他是Wiess主席兼物理学和天文学教授，也是电气和计算机工程、材料科学和纳米工程教授。爱博网站

其他研究的共同作者包括Rice的Benjamin Cerjan和Jian Yang;台湾中央研究院黄子廷、朱成鸿;国立台湾大学郭新宇;台湾国立联合大学苏文仙;以及香港城市大学的陈慕库。

本研究由台湾科学技术部(107-2311-B-002-022-MY3, 108-2221-E-002-168-MY4, 110-2636-M-A49-001)，国立台湾大学(107- l7728,107 - l7807, YIH-08HZT49001)，深圳市科技创新委员会(SGDX2019081623281169)，大学教育资助委员会/中国香港特别行政区研究资助局(AoE/P-502/20)，广东省科学技术厅(2020B1515120073)、香港城市大学电机工程系(9380131)、台湾教育部玉山青年学者计划、台湾中央研究院应用科学研究中心、罗伯特·韦尔奇基金(C-1220, C-1222)、国家自然科学基金(1610229,1842494)、空军科学研究办公室(MURI FA9550-15-1-0022)和国防威胁减少局(HDTRA1-16-1-0042)。