利用纳米压印光刻技术，迈向折射率 2.0 的 AR 光波导（一）

基于衍射光栅波导的增强现实（AR）眼镜，已成为众多设备制造商的首选技术。这类技术不断演进，旨在为用户提供卓越的画质和更大的视场角。然而，视场角（FOV）是衡量此类波导性能的关键指标；若要进一步扩大视场角，就必须提高所用材料的折射率。目前的制造工艺主要依赖纳米压印技术，使用的是掺杂了无机高折射率纳米颗粒的永久性聚合物。虽然市面上的商用材料已经能达到 n=1.9 的折射率，但想要突破 n=2.0 及以上似乎困难重重。

另一方面，折射率达到 n=2.0 甚至更高的玻璃基板或涂层其实已经问世，因此可以直接利用它们来制作所需的衍射光栅结构。在这种情况下，就需要通过刻蚀工艺来进行图形转移，这应当能实现二元光栅设计以及倾斜光栅的制作。

1.介绍

纳米压印光刻已发展成为一种经过大规模量产验证的制造方法，被众多在增强现实（AR）、光学传感器和生物医学芯片领域进行开拓性工作的公司所采用。特别是针对功能聚合物层中复杂纳米结构的永久性压印，目前已被广泛探索。因此，对于光子学应用，尤其是 AR 光波导而言，功能层的折射率（RI）成为了许多设备研发的核心焦点。迄今为止，市面上商用的纳米压印聚合物光刻胶，其折射率最高只能达到 1.9。先前的研究表明，这类光刻胶可以用于高折射率（HRI）玻璃 。然而，为了进一步优化波导性能，业界迫切需要折射率达到 n=2.0 及以上的纳米图案化层。

提高折射率通常需要研发新型聚合物材料，或者采用如刻蚀转移等替代性图案化方法。对于永久性压印材料而言，必须添加高折射率的无机填料才能实现理想的光学特性。由于折射率与无机材料的含量直接相关，因此提高其相对含量是此类聚合物材料面临的关键挑战。然而，这必须与其他性能（如流体特性和填充行为）相平衡，以确保高质量的压印效果。一些光刻胶材料试图通过在压印后进行高温烘烤（Post-bake）步骤来提高高折射率材料的相对含量。然而，由于这种后烘烤主要会减少聚合物含量，因此不可避免地会导致严重的收缩和有限的图案保真度。

另一种替代方案是，通过将结构刻蚀到高折射率涂层或玻璃中，从而完全避免结构中的聚合物成分。在这项工作中，我们考察了高折射率的二氧化钛（TiO2）涂层和玻璃。TiO2 因其易于获取且技术成熟而备受青睐，它在可见光范围内可提供高达 n=2.6 的折射率。然而，它通常仅作为薄层涂覆在低折射率基底之上，因此在波导设计中必须考虑额外的光学界面。相比之下，玻璃可以作为高折射率的块体基底使用，从而避免此类界面问题。不过，目前这类玻璃的折射率最高仅能达到 n=2.0。因此，这两种类型的材料对于通过刻蚀实现纳米图案转移都极具价值，也是本次研究的重点。尽管在不同材料上进行纳米压印结构的刻蚀已有先例，但对于 AR 波导常用的光栅设计进行刻蚀，仍有两个挑战需要解决。

未完待续……