当前位置:
X-MOL 学术
›
ACS Photonics
›
论文详情
Our official English website, www.x-mol.net, welcomes your
feedback! (Note: you will need to create a separate account there.)
Fast Free-Form Phase Mask Design for Three-Dimensional Photolithography Using Convergent Born Series
ACS Photonics ( IF 6.5 ) Pub Date : 2025-01-27 , DOI: 10.1021/acsphotonics.4c01201
Dohyeon Lee, Moosung Lee, Bakytgul Yerenzhep, Myungjoon Kim, Herve Hugonnet, Seokwoo Jeon, Jonghwa Shin, YongKeun Park
ACS Photonics ( IF 6.5 ) Pub Date : 2025-01-27 , DOI: 10.1021/acsphotonics.4c01201
Dohyeon Lee, Moosung Lee, Bakytgul Yerenzhep, Myungjoon Kim, Herve Hugonnet, Seokwoo Jeon, Jonghwa Shin, YongKeun Park
Advancements in three-dimensional (3D) photolithography are crucial for enhancing the performance of devices in applications ranging from energy storage and sensors to microrobotics. Proximity-field nanopatterning (PnP), which utilizes light-shaping phase masks, has emerged as a promising method to boost productivity. This study presents a swift and effective strategy for the design of phase masks tailored to the PnP process. Conventional design methodologies, grounded in basic optical theories, have been constrained by the simplicity and limited contrast of the resulting nanopatterns. Our approach, which merges the use of a frequency-domain electromagnetic solver─termed the convergent Born series─with gradient-based optimization and GPU acceleration, successfully addresses these shortcomings. The proposed solver outperforms CPU-intensive commercial FDTD software in our 2D test case by approximately 30 times, and its computational advantage increases in 3D simulations. This approach facilitates the creation of complex, high-contrast nanostructures within practical timeframes. We validate our method’s effectiveness by engineering phase masks to produce distinct hologram patterns, such as single and double helices, thereby underscoring its utility for pioneering nanophotonic devices. Our findings propel the PnP process forward, ushering in novel avenues for the creation of sophisticated 3D nanostructures with superior optical and mechanical features.
中文翻译:
使用 Convergent Born 系列进行三维光刻的快速自由曲面相位掩模设计
三维 (3D) 光刻技术的进步对于提高从储能和传感器到微型机器人等应用中的设备性能至关重要。利用光整形相位掩模的邻近场纳米图案化 (PnP) 已成为一种很有前途的提高生产力的方法。本研究提出了一种快速有效的策略,用于设计适合 PnP 工艺的相位掩模。基于基本光学理论的传统设计方法受到所得纳米图案的简单性和有限对比度的限制。我们的方法将频域电磁求解器(称为收敛 Born 级数)的使用与基于梯度的优化和 GPU 加速相结合,成功地解决了这些缺点。在我们的 2D 测试用例中,所提出的求解器的性能比 CPU 密集型商用 FDTD 软件高出约 30 倍,并且在 3D 仿真中的计算优势有所增加。这种方法有助于在实际时间范围内创建复杂、高对比度的纳米结构。我们通过设计相位掩模来产生不同的全息图图案,例如单螺旋和双螺旋,从而验证了我们方法的有效性,从而强调了它作为开创性纳米光子器件的实用性。我们的研究结果推动了 PnP 过程向前发展,为创建具有卓越光学和机械特性的复杂 3D 纳米结构开辟了新的途径。
更新日期:2025-01-28
中文翻译:
使用 Convergent Born 系列进行三维光刻的快速自由曲面相位掩模设计
三维 (3D) 光刻技术的进步对于提高从储能和传感器到微型机器人等应用中的设备性能至关重要。利用光整形相位掩模的邻近场纳米图案化 (PnP) 已成为一种很有前途的提高生产力的方法。本研究提出了一种快速有效的策略,用于设计适合 PnP 工艺的相位掩模。基于基本光学理论的传统设计方法受到所得纳米图案的简单性和有限对比度的限制。我们的方法将频域电磁求解器(称为收敛 Born 级数)的使用与基于梯度的优化和 GPU 加速相结合,成功地解决了这些缺点。在我们的 2D 测试用例中,所提出的求解器的性能比 CPU 密集型商用 FDTD 软件高出约 30 倍,并且在 3D 仿真中的计算优势有所增加。这种方法有助于在实际时间范围内创建复杂、高对比度的纳米结构。我们通过设计相位掩模来产生不同的全息图图案,例如单螺旋和双螺旋,从而验证了我们方法的有效性,从而强调了它作为开创性纳米光子器件的实用性。我们的研究结果推动了 PnP 过程向前发展,为创建具有卓越光学和机械特性的复杂 3D 纳米结构开辟了新的途径。