专业高效
微纳加工公司

由于每个平面都提供了额外的设计变量，多层超光学系统能够实现比单层超光学系统更复杂的波前成形。例如，无损复杂振幅调制、广义偏振变换和宽视场是从根本上需要多平面波前匹配的关键属性。然而，现有的双层超表面实施例依赖于菲涅尔反射、低模约束或不良共振的配置，这些配置会损害预期的响应。在这里，我们介绍了由可见光谱中工作的独立超原子制成的双层超表面。我们展示了它们在使用纯几何相位的线性偏振光波前成形中的应用，衍射效率为 80%——扩展了先前关于 Pancharatnam-Berry 相位超表面的文献，这些超表面依赖于圆偏振或椭圆偏振照明。该制造依赖于两步光刻和选择性开发工艺，可产生总厚度为 1200 纳米的独立双层堆叠超表面。

划重点 --6英寸150nmDUVKRF 光栅 超结构 流片

背景：目前半导体行业主流的 5 种获得光刻胶图案工艺为接触式曝光（最小线宽 2um），激光直写（最小线宽 500nm），步进式曝光（Krf 最小线宽 150nm，ArF 最小线宽 90nm），纳米压印（最小线宽几十 nm）电子束光刻（最小线宽几十 nm）。

国内在电子束，激光直写，接触式光刻，纳米压印设备均有较高的设备保有量.但是在进行小线宽加工时，电子束光刻的成本高昂，且产出低，效率低，进行纳米压印加工时需要获取其 1:1 复制的母版，同样成本高昂，且工艺流程长。步进式曝光国内有一定的保有量，但是科研院所和高校内部的 DUV 大多在 350nm,450nm,500nm 以上线宽. 很多行业高速发展，AR 衍射光波导，超透镜，光子集成线路行业对线宽提出了更高的要求，上述市场的应用多在 250nm 以下。所以为了解决小线宽产品，低成本，高产出，高效率，高精度的制造的问题。提供 6 寸步进式曝光加工。其最小线宽为 150 nm，可用于大批量生产。该设备具有全自动旋涂、显影和曝光功能，一小时可处理 20 片 6 英寸晶圆。其速度惊人. 

特色工艺--超高性价比最小线宽6寸（最小线宽）紫外光刻大面积超结构及微纳结构解决方案

超表面由具有垂直侧壁的 TiO2 纳米鳍组成。我们的工作推动了复合超光学纳米制造的发展，并启发了波前成形、超表面集成和偏振控制的新方向。

图 1 | 多层超表面配置示意图。a 级联超表面是通过堆叠两个或多个超表面来实现的，这些超表面要么接触，要么之间有空气间隙。图中红色箭头表示两层之间产生的不良光散射。b 双面超表面是通过在基板正面和背面图案化超原子而创建的。在包覆的双层超表面中，底部超原子被保护性聚合物包围，以支撑顶层，顶层可以分离（c）或直接与底层接触（d）。e 独立双层超表面由两层被空气包围的超原子组成，从而实现纳米鳍内的高折射率对比度和模式限制。底部显示了使用我们的工艺制造的双层 TiO2 超表面的 SEM 图像。f 独立双层超表面的制造工艺。

平面光学器件因其亚波长分辨率、易于集成和紧凑的占地面积1–5而成为一种多功能的波前整形工具。超表面由亚波长间隔的纳米散射器阵列组成，从根本上改变了传统透镜6,7的功能，并能够对光在空间和时间上的自由度进行极端控制8–13。超表面的多功能性14–16和可调性17,18有望解决生物医学成像19,20和传感21,22、基于光纤的通信23,24、空间域感知25和AR/VR应用26,27等诸多挑战。此类应用通常部署单层超表面作为平面相位掩模，以减轻与可见光中3D超材料制造相关的复杂性。然而，随着超表面技术开始成熟，对更先进功能的追求也不断发展，对更复杂配置的需求也不断增长，例如级联28-30、双面31,32 和多层平面光学器件33（图 1a）。

复合超光学器件之所以出现，部分原因是光与平面光学器件之间的单一相互作用从根本上限于一组有限的可允许功能，即光学器件需要厚度34。例如，不能用单个镜子将两束光束共线对齐。空间模式复用需要同时对入射光束阵列进行波前整形和平移（横向移动）以形成共线光束，同样是一项需要多平面光转换23 的任务。同样，使用单个介电超表面35 无法实现任意复杂的高效振幅调制。这可以从简单的输入/输出局部功率匹配的角度来理解，因此需要级联至少两层才能实现无损极化和相位转换36,37。通常，将复杂的波前变换分布到多个层上可以在超表面设计中提供额外的自由度（即理想的冗余度），可用于实现多功能性、宽带操作、宽视场和多功能色散控制38。例如，虽然巧妙的色散工程已经实现了宽带单层超表面，但相位和群延迟通常是耦合的，需要大型超原子库（超过 35,000 个几何图形）和大量计算。这些方法适用于小型39,40 或周期性超表面41,42，但对于大型设备来说却不切实际。相比之下，级联或多层超表面可以在不牺牲相位覆盖和衍射效率的情况下更好地控制色散38,43,44。此外，从偏振光学的角度来看，形状双折射介电纳米鳍模仿波片的功能，波片的传输函数采用 2×2 酉对称琼斯矩阵45 的形式。虽然这种偏振控制已经实现了单次斯托克斯和穆勒成像46,47、奇异的偏振器48 和矢量全息图49,50，但它无法实现更通用的功能。例如，单层非手性纳米鳍不能仅依靠其形状双折射来实现圆形分析器，因为这需要将琼斯矩阵的非对角项解耦。在这一追求中，双层超表面已被部署，通过分离琼斯矩阵的所有四个元素，实现更一般的偏振变换33,51。这取决于一个数学事实，即两个对称矩阵的乘积可以产生一个不一定对称的任意矩阵52,53。尽管人们对复合或级联超光学器件有广泛的兴趣，但它们之前的实现仅限于堆叠多个超表面（图 1a）、在基板两侧图案化超原子（通常称为超表面双合子，图 1b），或创建嵌入包层的双层结构，如图 1c、d 所示。图 1a-c 中所示的方法存在不良的菲涅尔反射和法布里-珀罗共振，而图 1c、d 中的方法则表现出纳米结构与周围环境之间较低的折射率对比度。后者随后降低了允许的相位覆盖范围，并导致相邻元原子之间出现不良耦合，从而损害了预期的响应。为了避免嵌入材料或级联超表面之间的间隙造成的光学损耗和不必要的反射，显然需要直接接触的独立堆叠超原子。在这里，我们展示了由独立二氧化钛 (TiO2) 纳米鳍直接堆叠在一起组成的双层超表面，在可见光谱中运行（图 1b）。每个纳米鳍的高度为 600 纳米，每层均可实现独立的 0-2π 相位覆盖，这可通过相对于周围环境具有高折射率对比度来实现。

作为展示这种双层超光学的多功能性和适用性的示例，我们实现了反射双层超光学，它可以在线性偏振光的基础上逐点传递几何（即 Pancharatnam-Berry (PB)）相位 54。这与以前文献中依赖于圆偏振或椭圆偏振光入射的广泛几何相位超表面形成对比 55,56。我们的方法启发了纳米光子学制造的新方向，并将几何相位平面光学的宽带操作、高效率和稳健性带到线性偏振基础上，这可以推动经典和量子成像、传感和光通信中的许多应用。

结果

制造技术

如各种研究所示和复制的，可以使用类似镶嵌的工艺38、40、45、56、57 可靠地制造单层 TiO2 亚原子。具体来说，厚度为 H1 的电子束 (e-beam) 抗蚀剂膜被图案化为具有亚原子形状的垂直孔。对于正性抗蚀剂，抗蚀剂膜中的交联化学键通过以所需形状轰击高动能电子束穿过薄膜而断裂，从而将曝光的薄膜转变为可被显影溶剂溶解的断裂键区域。通过调整电子束能量和显影条件，可以在抗蚀剂中实现各种侧壁锥形轮廓。在这里，为简单起见，我们重点介绍垂直侧壁结构。然后，高能电子束破坏化学键的区域在显影剂溶剂中被冲洗掉，在光刻胶膜中形成亚原子状孔（图 1f 中的光刻胶 1，步骤 (2)，图 S1-S2）。

然而，在顶层的电子束写入过程中，底层的光刻胶也会暴露在弹道电子中；顶层和底层光刻胶的暴露区域都会溶解于显影剂溶液中。因此，光刻胶和显影剂溶液的选择变得至关重要：尽管两个光刻胶层都同时暴露，但如果暴露的底层光刻胶化学品不溶于顶层光刻胶的显影剂溶液或溶解度非常低，则只有暴露的顶层会被显影，而底层光刻胶膜保持完整。这里，我们分别选择 ZEP520A (ZeonSMI) 和 o-Xylene (Puriss p.a., ≥99% (GC), Sigma Aldrich) 作为底层抗蚀剂及其显影剂，PMMA (950 PMMA A7,Kayaku Advanced Materials Inc.) 和 MIBK/IPA 1:3 正辐射显影剂 (Kayaku Advanced Materials Inc.) 或 H2O/IPA 1:3 溶液作为顶层抗蚀剂及其显影剂 (补充图 1-3)58。这种抗蚀剂和显影剂组合的选择允许对顶层抗蚀剂进行选择性显影，同时对底层抗蚀剂的影响最小 (图 1f，步骤 (6)，补充图 4)。

在顶层光刻胶中将顶层超原子形状定义为孔之后，执行第二个 ALD 工艺以用 TiO2 填充图案（图 1f，步骤 (7)）。然后，蚀刻掉过度生长的介电膜，直到顶层光刻胶暴露出来。所得特征如图 1f，步骤 (8) 所示，其中两个介电纳米结构堆叠在一起并被光刻胶层包围。然后使用远程氧等离子体灰化选择性地去除光刻胶，这是一种干法蚀刻工艺，允许无溶剂、温和地去除光刻胶膜，同时保留高纵横比结构，这些结构在暴露于溶剂时容易因表面张力而受损。（图 1f，步骤 (9)）。图 1b 底部显示了制造的双层纳米结构的示例性扫描电子显微镜 (SEM) 图像。有关制造工艺的更多详细信息，请参阅补充说明 1。我们注意到，两个堆叠的纳米结构可以由与保形涂层工艺兼容的各种材料组成，例如二氧化铪、氧化锆、二氧化硅、氧化铝、氧化锌、铂、铜等。此外，结构不一定是简单的柱状或矩形，也可以是复杂的形状 40,56，这可以为超表面光学器件更复杂的偏振或光色散控制提供基础。

此外，双层结构在 50 纳米内的错位公差下表现出一定程度的稳健性能，如补充说明 4 所示。接下来，我们将展示使用此制造工艺实现的两个几何相位超表面。

双层几何相位超表面操作

几何或 PB 相位超表面代表了一类广泛的双边缘平面光学元件，它可以通过改变半波片 (HWP) 元原子的角度方向，逐像素地对右/左圆偏振 (CP) 光施加 0-2π 相移45,54,59–63。更一般地说，当光穿过一系列偏振元件时，导致其原始偏振状态在庞加莱球上穿过一个循环轨迹，输出光束获得一个额外的相移，该相移由偏振空间中穿过的路径的拓扑结构控制，与空间中穿过的距离无关。庞加莱球的曲率将所有可能的偏振状态可视化，允许将该相位因子几何评估为穿过的拓扑路径所包围的立体角的一半。还报道了适用于非绝热和/或非循环拓扑演化的该规则的推广64,65。为此，以前的几何相位元光学主要对 CP 光进行操作，在输出端反转其手性，同时局部赋予两倍于角的几何相位每个纳米鳍片的方向不同。

在这里，我们展示了将两个纳米鳍片堆叠在一起（得益于上面提出的制造工艺）可以实现一类几何相位平面光学器件，该光学器件可以对线性偏振光执行 PB 波前整形。

图 2 | 双层 PB 相超表面操作概念。a 两个四分之一波片状 (QWP) 纳米鳍堆叠在一起，并放置在铝 (Al) 镜上，中间有一个薄二氧化硅 (SiO2) 垫片。顶部和底部纳米鳍相对于入射光的偏振以 π/4 和 3π/4 + θ 的角度旋转。当 x 偏振光 (LP) 与顶部纳米鳍相互作用时，它会变成左旋圆偏振 (LCP)，然后撞击底部纳米鳍，进而将这种圆偏振转换回线性。输出光从铝镜反射并反向穿过两个纳米鳍，将其偏振从线性变为右旋圆偏振 (RCP)，然后在顶部纳米鳍的输出处恢复为线性。 b 在庞加莱球上可视化 x 偏振光经过的路径，该路径是顶部和底部纳米鳍片之间相对旋转角 (θ) 的函数。旋转角 θ 产生 4θ 的立体角，从而分别在 x 和 y 偏振光上赋予 ±2θ 的几何相位。通过局部改变顶部和底部纳米鳍片之间的相对旋转角，可以设计 1D 闪耀光栅 (c) 和 2D 轨道角动量 (OAM) 板 (d)。

图 2a 描绘了我们的超表面的构建块；两个四分之一波片 (QWP) 纳米鳍片的堆叠由 TiO2 制成，位于 150 nm 厚的 Al 反射层之上，中间有 90 nm 厚的 SiO2 间隔层。考虑这样一种情况，其中 x 轴方向的线性偏振 (LP) 光撞击顶部纳米鳍片。如果纳米鳍片的主轴与 x 轴成 π/4 角，则透射光在从顶部纳米鳍片离开时变为左手 CP。在这种情况下，偏振态在庞加莱球上从其赤道向南极连续移动。当此 CP 光穿过底部纳米鳍片（其慢轴与 x 轴成 3π/4 + θ 角）时，它会转换回位于庞加莱球赤道上的线性偏振。该光束从平面镜反射回来，穿过两个 QWP，将其偏振从线性转换为右手圆形，然后以绝热方式转换回线性。因此，通过与反射中的双层超原子相互作用，出现的光束穿过了庞加莱球上的闭合电路，如图 2b 所示。穿过路径的立体角等于 4θ，这意味着 x 偏振光获得了 2θ 的 PB 相位。对于 y 偏振入射照明，封闭路径仍然是循环的，但沿相反方向穿过，产生累积相位因子 −2θ。为了实现双层超原子，我们研究了顶部和底部纳米鳍之间的衰减耦合，并探索了可以忽略这种耦合的区域。我们的分析表明，如果两个纳米鳍均未处于共振状态，并且顶部纳米鳍的尺寸小于底部纳米鳍，则纳米鳍之间的耦合可以忽略不计，如参考文献 53 及其补充图 3 中更详细地说明的那样。这允许直接从顶部和底部纳米鳍的琼斯矩阵乘积计算双层结构的光学响应。因此，我们选择了两个满足这些标准的 QWP 类纳米鳍，并将它们用作双层超表面的构建块。此外，由于铝层不是完美的镜子（即，它会给入射光引入复杂的相移），我们在超原子下方添加了一层由 90 nm 厚的 SiO2 制成的薄匹配层，即介电间隔层。底部和顶部纳米鳍分别为 134×202 纳米和 114×154 纳米，单位晶胞尺寸为 420 纳米（图 2a）。这种尺寸选择最大化了连接两个纳米鳍的重叠表面积，确保了它们的结构稳定性。使用这种元原子配置，我们设计了一个 1D 反射闪耀光栅，分别将 x 轴或 y 轴上的线性偏振光偏转到 −1 或 +1 级，以及一个 2D 反射轨道角动量 (OAM) 板，它将高斯光束转换为沿方位角方向具有 0-4π 螺旋波前的涡旋光束，从而产生拓扑电荷 ℓ = ±2。使用商用有限差分时域模拟工具 (Tidy3D) 对这两种设备进行了全尺寸模拟。接下来，我们将展示所制造器件的 SEM 图像和光学特性。

实验特性

我们设计并制造了一个超表面，它具有闪耀的光栅轮廓（即 0-2π 的线性相位斜坡），光栅周期为 5.04 μm，跨度为 500 × 500 μm。图 2c 描绘了超光栅的周期性单元，该单元包含 12 个超原子，每个超原子由双层纳米鳍组成。在每个超原子内，顶部和底部纳米鳍之间的旋转角度从 0° 到 180° 变化，增量为 15°。如上一节所述，两个纳米鳍之间的相对旋转角 θ 赋予了 2θ 的几何相位。因此，我们的 12 像素单元格可实现从 0 到 2π 的完整相位斜坡。根据光栅方程，在入射波长为 560 nm 时，±1 衍射级的偏转角为 6.379°，其中底部纳米鳍和顶部纳米鳍均用作 QWP。

图 3 | 制造的独立双层超表面。a 从顶部观察的制造的双层超表面的扫描电子显微镜 (SEM) 图像。b–e 制造的双层超表面的倾斜视图 SEM 图像。比例尺：500 纳米。f 通过聚焦离子束 (FIB) 铣削获得的制造样品的横截面 SEM 图像。图像中可见二氧化硅 (SiO2) 间隔层和铝 (Al) 镜层。在感兴趣的区域上进行厚铂 (Pt) 涂层，以保护底层特征免受聚焦离子束 (FIB) 铣削过程的影响。比例尺：500 纳米。

图 3 显示了制造的独立双层超表面在反射中运行的 SEM 图像，以展示双层超原子的复杂偏振控制。分别使用 ZEP520A 和 950 PMMAA7 抗蚀剂制造底层和顶层。图 3a 显示了闪耀光栅轮廓双层超表面的顶视图。柱之间的薄残留结构是图 1f 中步骤 (4) 期间蚀刻不足的 TiO2 过度生长膜。由于这些制造缺陷的特征尺寸和厚度较小（<10 nm），因此对器件的光学性能影响很小。图 3b-e 显示了以 30° 倾斜视角获得的双层结构的 SEM 图像。如设计所示（图 2c），可以看到顶层纳米鳍片朝向同一方向，而底层纳米鳍片相对于彼此。比例尺代表 500 nm。图 3f 显示了通过聚焦离子束 (FIB) 铣削获得的制造双层超表面的横截面 SEM 图像。在感兴趣的区域施加了一层薄薄的 Pt 涂层，以在铣削过程中保护结构免受高能离子束的伤害。在图像的底部可以看到底层反射镜，该反射镜由 90 nm 厚的 SiO2 间隔层和 Si 基板上 150 nm 厚的 Al 膜组成。比例尺代表 500 nm。

图 4 | 超光栅特性。a 用于测量超表面响应的实验装置示意图：使用显微镜物镜 (MO) 和透镜扩展和准直来自超连续源的准直光束。在照射超表面 (MS) 之前，使用半波片 (HWP) 和偏振器 (Pol) 控制输出光束的偏振。50–50 分束器 (BS) 用于将从超表面反射的光重定向到电荷耦合器件 (CCD) 相机或功率检测器上。b 在 x 偏振 (左) 和 y 偏振 (右) 下记录的光栅衍射级图像。c 在 x 和 y 偏振照明下模拟 (顶部) 和测量 (底部) 衍射效率与波长的关系。针对每种情况绘制了 −1、0 和 + 1 级的衍射效率。

图 4a 描绘了用于表征样品和测量宽带光栅效率的实验装置。

图 4b 显示了此超光栅的输出响应，其中 x 偏振光偏转到 −1 阶，y 偏振光偏转到 +1 阶，这与预期一致。在 520 至 580 nm 的频率范围内重复此测量可显示我们设备相当宽频带的操作，如图 4c 所示。此处，衍射效率定义为偏转到一阶的总功率除以超表面上的总入射功率。我们在 x 偏振照明下记录了 560 nm 处的衍射效率为 80%，在考虑的频率范围内平均衍射效率接近 60%。与早期的双层超表面29、51、66、级联超表面30和超表面双透镜32（传输效率限制为50%或更低）的研究相比，独立的双层超表面表现出更高的模式限制和不太明显的菲涅尔损耗。此外，观察到的宽带操作是几何相位超表面的一个特征，几何相位超表面以其对制造公差的稳健性而闻名。这也是因为赋予的相位源于偏振态的演变，而不是光路长度或材料特性；因此，它具有拓扑性质。只要纳米鳍继续作为QWP发挥作用，这种响应就会保持，从而保持图2b所示的庞加莱球上追踪的路径。由于材料和形状色散，纳米鳍的延迟偏离 QWP（即 π/2）远离设计波长 λ = 560 nm，这是由于其有效折射率的扰动。在这种情况下，光的偏振仅部分转换，产生更强的零阶并降低衍射效率，如图 4f 中较短波长处观察到的。补充图 5 进一步研究了每个纳米鳍的波长依赖性，证实了它们在较短波长下的色度，这与在同一光谱范围内观察到的效率下降一致。可以使用色散工程元原子 38 和逆向设计技术 67–69 来缓解这种情况，但我们将这些发展保留在未来的工作中。我们还创建了一个 2D 涡旋板，它在入射光上引入了 expði‘ϕÞ 的方位角相位斜坡，产生了具有轨道角动量 (OAM)70 的涡旋光束。后者源于由于螺旋相位前沿而产生的非零 Poynting 矢量横向分量，这导致每个光子的纵向 OAM 分量为 ℓℏ71。OAM 板的设计方法是将每个单元格中两个纳米鳍之间的相对旋转角度沿样品的方位角方向从 0 变为 2π（图 2d）。在这种情况下，入射光束的方位角相位依赖性为 0-4π。图 5 显示了该装置在 x 和 y 偏振光下的输出强度和相位响应。与单层 PB 相位 OAM 板 62 不同，该板通过自旋轨道耦合响应 CP 入射状态产生一对共轭涡旋光束，而我们的设备则将纯几何相位赋予线性偏振光。具体而言，它将 x 偏振光转换为 ℓ = +2 的涡旋光束，将 y 偏振光转换为 ℓ = −2 的涡旋光束。图 5a 证实了我们的设备在可见光谱中 200 nm 范围内的波长无关响应。该图展示了在不同波长范围内捕获的正交线性偏振的二维强度分布。第三行显示了当 45° 偏振光照射时，在 BS 和传感器之间引入一个旋转 45° 的分析仪时出现的干涉图案。这使得两束拓扑电荷为ℓ = ±2 的 OAM 光束之间发生干涉，从而产生特征性的花瓣状图案。

图 5 | 双层超表面产生涡旋光束：实验结果。a 双层超表面产生的不同波长的轨道角动量 (OAM) 光束的强度分布。第一行显示当入射极化沿 x 轴时，拓扑电荷为 ℓ = +2 的 OAM 模式。第二行表示 y 轴极化时拓扑电荷为 ℓ = −2 的 OAM 模式。第三行显示在分束器和相机之间引入 45° 分析仪时产生的花瓣状干涉图案，导致 x 和 y 分量发生干涉，显示出特征花瓣结构，表明具有相反拓扑电荷的 OAM 模式发生干涉。红色虚线框标记了设计波长下的输出响应。b 针对 x 和 y 极化重建的生成的 OAM 相位分布。 c 测量涡旋光束和同向传播的高斯光束干涉产生的螺旋图案。根据拓扑电荷 ℓ = ±2 的符号，螺旋的螺旋度分别为顺时针或逆时针

图 5b 显示了 560 nm 线性偏振光下输出涡旋的检索相位，响应 x 和 y 偏振光，显示出一对相互交织的螺旋波前，具有相反的手性，对应于ℓ = ±2。相位分布是使用单光束多强度重建获得的，该重建应用于距离样品 72 不同距离处测量的 2D 强度图。这是一种迭代多平面相位检索算法，它估计在两个或多个平面之间传播的给定光强度分布的 2D 相位分布，类似于 Gerchberg Saxton 算法。补充说明 2 中更详细地讨论了平面和传播器之间的轴向分离的技术细节。

为了定量验证拓扑电荷为 ℓ = ±2 的 OAM 模式的生成，我们通过分析输出光束的光角动量密度来计算有效拓扑电荷。按照结构光和光学涡旋中已建立的方法 71,73,74，从时间平均的坡印廷矢量及其经度确定局部 OAM 密度将 udinal 分量积分到光束的横截面上，以获得单位长度的总 OAM。通过光束总能量对该量进行归一化，可以直接测量每个光子的平均 OAM。

该计算是通过前面描述的检索到的相位分布实现的，从而可以精确重建波前。在 460 × 460 μm 的局部区域内评估了有效拓扑电荷。结果证实，产生的涡旋光束与预期的拓扑电荷紧密相关，对于 x 偏振输入光，产生的值为 ℓ = +2.0113，对于 y 偏振输入光，产生的值为 ℓ = −2.0069。

为了进一步确认输出光束的拓扑电荷，我们进行了另一次干涉测量。图 5c 显示了通过用共线高斯照明干涉涡旋光束获得的特征螺旋条纹。我们通过准直照明光束并将其孔径扩大到与 OAM 板相当的尺寸来实现这一点。这会在远场产生强背景高斯照明，干扰输出光束，产生所示的相反手性（标记符号反转）和两个臂（表示拓扑电荷量级）的螺旋图案，共同证实了拓扑电荷为 ℓ = ±2 的光学涡旋对的产生，与图 5b 高度一致。

讨论

超表面通常被视为超材料的平面等效物。然而，使用单层超表面实现高衍射效率、宽带操作和多功能性仍然是一个悬而未决的挑战34,35,75。

在过去十年中，人们使用蛮力、逆向设计和拓扑优化探索了各种单层超原子配置，这些配置共同提高了性能76,77。在这里，我们展示了通过垂直集成可以获得更大但尚未探索的好处。这包括通过实现非对称琼斯矩阵、色散工程中的额外自由度以及更通用和多功能的响应来实现偏振控制的新可能性。为此，我们引入了一类新的平面光学器件，它由两个独立的纳米鳍片组成，彼此堆叠并被空气包围。每层提供的高折射率对比度可实现完全和独立的 0-2π 相位覆盖 - 这种冗余可用于宽带操作和多功能设计。我们的制造协议依赖于选择性开发，通过明智地选择两组电子束抗蚀剂和显影剂来依次对底层和顶层进行图案化，同时将对先前制造的层的干扰降至最低。使用这种制造方法，我们展示了以线性极化为基础运行的 TiO2 双层几何相位超表面。底层机制依赖于允许光的偏振在庞加莱球上穿过循环路径，该球的立体角取决于顶部和底部纳米鳍之间的相对旋转。虽然我们展示了双层超表面，但我们的方法可以推广到通过交替两组兼容的光刻胶和显影剂的顺序来实现多层平面光学。为了展示我们制造的超原子的光学响应，我们展示了两类广泛使用的波前整形装置，它们分别在 1D 和 2D 中产生相位梯度。第一个是闪耀光栅，可将 x 和 y 偏振光偏转 ±6.379°，第二个是 OAM 板，它响应 x 和 y 偏振光产生具有 ±2 拓扑电荷的涡旋光束。在这些设备中，我们记录了高达 80% 的衍射效率，并且具有相当宽的宽带操作，这是几何相位超表面的众所周知的特征。虽然我们采用了 TiO2，但其他材料平台和自由形式的超原子也与我们的方法兼容，只要顶部和底部纳米鳍之间的重叠区域保持在大约 100 纳米以上，以确保 ALD 键合的稳健性。这将发达的制造能力带到了红外和电信波长的其他领域，甚至可以制造现代多层半导体电路和光子芯片之间的复杂垂直互连。双层平台还可以导致局部和非局部超表面的有趣组合，以实现对宽带范围的多功能控制78-80。我们设想这项工作将启发新的平面光学架构，从而推动偏振光学和波前整形应用的发展，包括全息摄影、结构光、遥感、光束控制和非对称传输操作。