基于相位概率整形的无散斑全息光刻技术：突破光学均匀性与边缘锐度的极限

《Nature Communications》：Phase-probability shaping for speckle-free holographic lithography

本研究针对全息成像中长期存在的散斑噪声问题，提出了基于相位概率整形的物理机制，开发了Adam梯度下降概率整形（APS）算法。通过调控全息图相位分布概率密度，在单模高相干激光照明下实现了散斑对比度低至0.08、边缘锐度高达1000 mm-1的高质量全息图像，并成功演示了分辨率为0.54λ/NA的无透镜光刻应用，为纳米光子器件制造提供了新技术路径。

　　

自1948年全息术发明以来，光学全息技术取得了飞速发展，但随机相位叠加产生的散斑噪声问题始终未能彻底解决。这些随机分布的明暗斑点严重影响了图像均匀性和边缘清晰度，制约了全息技术在光学显示和光刻领域的应用。尽管通过空间、时间和光谱平均等方法可以在一定程度上抑制散斑，但往往以牺牲边缘锐度、丢失细节或增加曝光时间为代价。传统方法如Gerchberg-Saxton（GS）算法虽然在一定程度上改善了全息图像质量，但在菲涅尔全息图中仍难以有效抑制散斑。

在这一背景下，中国科学技术大学的研究团队在《Nature Communications》上发表了一项突破性研究，提出了基于相位概率整形的全新物理机制，为实现无散斑全息成像提供了新思路。研究团队发现，通过调控全息图中编码相位的概率密度分布，可以有效均匀化光学叠加过程，从而从根本上抑制散斑的产生。

研究团队开发了基于Adam梯度下降的概率整形（APS）算法，该算法具有三个关键特征：采用Adam梯度下降的迭代方法构建相位概率配置；使用包含均方根误差（RMSE）、图像标准偏差（SD）和光学效率（η）的混合损失函数；引入动态加权系数w₁、w₂和w₃来控制图像的奇异性特征。通过1500次迭代优化，研究人员成功设计了多种全息图，实现了散斑对比度从传统方法的0.46降低到0.07的显著改善。

实验验证方面，研究团队采用介电几何超表面实现了设计的相位分布。通过标准电子束光刻和干法刻蚀工艺制备的样品，在自建测量系统中实现了高保真全息重建。实验结果显示，APS方法获得的散斑对比度仅为0.08，而传统GS算法为0.50，验证了相位概率整形方法的有效性。

在技术方法方面，研究主要采用了以下几种关键技术：基于Rayleigh-Sommerfeld衍射积分的严格数值模拟方法，用于精确计算衍射图样；几何超表面制备技术，通过电子束光刻和干法刻蚀实现多级相位调制；自建的全息成像测量系统，用于实验验证图像质量；二元相位光刻技术，用于验证衍射极限分辨率。

全息光刻原型验证

为展示该技术的应用潜力，研究团队设计了工作波长为405nm的相位掩模，并使用氮化硅几何超表面实现了复杂结构的光刻演示。二维随机条形码和叉形光栅的全息图像显示出清晰的边缘和高度均匀的曝光效果，显影后的光刻胶图案呈现出预期的细节特征。

二元相位CGH光刻

为进一步探索CGH光刻的特性，研究团队使用二元相位板代替超表面进行演示。设计的相位概率在0和π两个电平上各保持约0.5的概率密度，确保了足够的调制深度。实验制备的"集成电路"图案在300μm成像距离下显示出均匀的线条，最小线宽达到310nm，接近衍射极限。

研究团队还系统评估了曝光时间、光刻胶厚度和离焦距离等参数对光刻质量的影响。结果表明，在最佳曝光时间（约11秒）附近，实验线宽约为300nm，焦深约为200nm。虽然当前技术的焦深相对较小，但通过多平面全息重建算法有望进一步扩展。

研究结论与意义

本研究通过相位概率整形技术，成功解决了全息成像中的散斑噪声问题，实现了高质量、无散斑的全息图像重建。开发的APS算法为全息图设计提供了新范式，而基于CGH的无透镜光刻技术则为纳米光子器件制造提供了高效、低成本的解决方案。与现有光刻技术相比，CGH光刻无需复杂的投影系统，在单次曝光下即可实现衍射极限分辨率，展现出在大型纳米光子器件制造领域的应用潜力。

该技术的成功演示不仅推动了全息成像技术的发展，也为下一代光刻技术提供了新思路。未来通过进一步优化分辨率极限、曝光控制和对准精度，CGH光刻有望成为纳米制造领域的重要技术手段，为光子集成电路、超表面器件等前沿领域的快速发展提供技术支持。