飞秒激光在蔡司超透镜制造中的应用解析与技术对比

导读

从手机镜头、AR眼镜到车载激光雷达，“透镜”无处不在。但当传统球面透镜面临小型化、轻量化、高性能的瓶颈时，超透镜（MetaLens）以其纳米级结构控制光线路径，正在重塑光学设计的未来。

本文将带你走进超透镜的原理与结构，重点解读飞秒激光在其制造中的角色，欢迎阅读本期深度解析。

背景

蔡司（Zeiss）——横跨医疗技术、工业质量解决方案和光学消费品的全球科技巨头。其技术基因建立在“光学-材料-工艺”三位一体的创新模式上，早在19世纪就通过与玻璃化学家肖特合作开发消色差物镜玻璃，解决了色差难题。这一历史积淀为今日蔡司在超透镜领域的技术领先奠定了坚实基础。蔡司将其医疗领域的顶尖飞秒技术成功迁移至工业超透镜制造。

使蔡司在超透镜加工领域实现两大突破：

曲面超透镜加工：通过微米级动态追踪技术实现曲面基底纳米结构加工。

多材料适配：无热效应特性支持硅、氮化镓等脆性材料的精密加工。

MetaLUX 系列超透镜是其在精密光学组件领域的重要突破，针对高端 AR 光波导、激光成像系统、传感器模组等，采用了飞秒激光微纳加工作为关键制造工艺之一。该系列产品通过在透镜表面或玻璃基底中构造柱状纳米结构，以实现高光效率、低色差、宽波段适用的工业级透镜性能。

蔡司的高端超透镜技术实现了工业级精度 + 飞秒制造灵活性的有效结合，具备明显的工程应用价值和产业整合优势。

一、超透镜主流制造工艺

超透镜的定义：

超透镜（MetaLens）是一种基于亚波长级微纳结构的平面透镜，可在极薄平面基底上实现光学聚焦。与传统折射透镜依靠几何曲面改变光程不同，超透镜通过在平面上人工引入微小“超构单元”（如柱状结构、梯形结构、十字、孔阵列、倾斜纳米结构等）实现相位调控。这种设计使超透镜在厚度和重量上拥有巨大优势

超透镜制造主流工艺包括：

电子束光刻（EBL）：精度达纳米级，但效率低、成本高，主要用于研发。

深紫外光刻（DUV）：半导体行业成熟工艺，适合高分辨率批量生产，但设备投入巨大。

纳米压印光刻（NIL）：通过模具压印复制纳米结构，成本低且适合大面积制造，是量产主流方向

制造过程面临三大世界性难题：

特征尺寸微小（100-300纳米结构）

深宽比要求高（消色差设计需10：1深宽比）

大面积一致性（工业应用要求厘米级尺寸保持纳米级精度）

二、飞秒激光加工超透镜的关键技术解析

飞秒激光在超透镜微结构加工中，因其极短脉冲宽度、非热加工机制和亚波长空间控制能力，已成为实现纳米结构构造的关键技术。

MetaLUX 是蔡司推出的高端功能型超表面光学器件品牌，面向 AR光波导、医疗成像、高分辨率成像系统 等核心光学场景。其核心在于通过纳米级结构操控入射光波的相位、偏振、色散，突破传统折射率透镜的限制。

目标性能：亚波长操控、多波段透过、低色差、高光利用率

主要基材：二氧化钛（TiO₂）、硅基材料（如a-Si）、透明玻璃（如熔融石英）

MetaLUX 典型采用多种复合微结构，用于多波段控制与偏振调制：

1、柱状纳米结构（TiO₂）：

尺寸范围：直径80–150 nm，高宽比 >1.5；

功能作用：控制波前相位，提升聚焦效率。

2、梯形/锯齿结构：

尺寸范围：台阶厚度约30–60 nm/层；

功能作用：消色差控制，实现宽谱相位控制。

3、十字共振结构：

尺寸范围：臂长100–200 nm；

功能作用：偏振调控、波段选择。

4、倾斜纳米结构

尺寸范围：倾斜角约20°–40°；

功能作用：构建旋转偏振、偏振态切换器件。

飞秒激光提升的关键性能指标

MetaLUX 系列透镜结构经飞秒激光加工后，在以下方面实现了显著提升：

光学效率（传输效率）：由传统纳米压印后的 65~70% 提升至 ＞85%（在波段范围 450–900 nm）；

偏振选择性：可实现单片透镜对左/右旋圆偏光选择性衰减＞20 dB；

宽带控制能力：通过多周期复合结构设计（飞秒精确叠加工艺）在 400~1550 nm 范围内实现色散平衡；

抗反射性能：飞秒激光构造的表面亚结构可降低反射率至＜0.5%；

空间波前控制精度：优于 λ/10，支持复杂波前调控光学器件。

三、超透镜厂商工艺与技术策略对比

超透镜领域的国际竞争呈现多元技术路线并行的格局，主要参与者在材料选择、制造工艺和应用聚焦上各具特色。

四、全球市场格局演变及国内厂商挑战

1、全球超透镜市场正经历爆发式增长：

地区分布方面，欧洲以38%市场份额领先，北美占31%，亚太地区占20%，但中国增速全球第一。

2025年工业应用市场规模预计突破15亿美元。

2030年整体市场规模将达29.25亿美元（CAGR 79.6%）。

2、中国超透镜产业仍面临三大挑战：

技术瓶颈：大面积加工一致性（厘米级尺寸需保持纳米精度）、光学效率（约70%，低于传统透镜）。

产业链短板：高精度电子束光刻机依赖进口，飞秒激光器国产化率不足30%。

专利壁垒：蔡司、MIT等持有核心专利2000余项，形成“专利围墙”。

3、市场空间展望（国内厂商）

当前国产飞秒激光设备已在柱状结构、孔阵列与自由微透镜阵列三个方向具备稳定工艺能力，且已在中试或小批量生产场景中验证可靠性。结构尺寸精度控制、加工一致性和重复性均达到国际主流水平，具备替代进口设备切入超透镜产业链的基础条件。

下一步突破关键在于：

加工稳定性与产能提升（高速扫描/并行路径优化）

倾斜、复杂偏振结构的五轴协同加工能力

自主检测/校准算法集成，提高系统闭环控制能力

结语：纳米光学的工业未来

飞秒激光加工超透镜的技术演进，不仅改变了光学元件的制造方式，更在重构工业生产的视觉神经系统。从蔡司医疗技术转化而来的飞秒激光工艺，正推动超透镜在制造范式革新、应用场景爆发、产业格局重构三大维度上重塑产业面貌。

超透镜结构多样，飞秒激光目前最适合加工的微结构包括：柱状结构、孔阵列和自由轮廓微透镜。这些结构在加工精度、工艺兼容性和产品化方面具有明显优势，也是国产飞秒厂商优先布局的方向。